Micro-measurement and monitoring system for ageing underground infrastructure (Underground M3)

Advances in the development of computer vision, miniature Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and Wireless Sensor Network (WSN) offer intriguing possibilities that can radically alter the paradigms underlying existing methods of condition assessment and monitoring of ageing civil engineering infrastructure. This paper describes some of the outcomes of the European Science Foundation project "Micro-Measurement and Monitoring System for Ageing Underground Infrastructures (Underground M3)". The main aim of the project was to develop a system that uses a tiered approach to monitor the degree and rate of tunnel deterioration. The system comprises of (1) Tier 1: Micro-detection using advances in computer vision and (2) Tier 2: Micro-monitoring and communication using advances in MEMS and WSN. These potentially low-cost technologies will be able to reduce costs associated with end-of-life structures, which is essential to the viability of rehabilitation, repair and reuse. The paper describes the actual deployment and testing of these innovative monitoring tools in tunnels of London Underground, Prague Metro and Barcelona Metro. © 2012 Taylor & Francis Group.

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.

Iowa improved driver licensing procedures demonstration project; closed circuit color television electro-mechanical teaching/testing licensing system. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Построение автоматической навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата многократного применения = Development of automatic navigation management system for small unmanned aerial vehicle

Современный этап развития комплексов автоматического управления и навигации малогабаритными БЛА многократного применения предъявляет высокие требования к автономности, точности и миниатюрности данных систем. Противоречивость требований диктует использование функционального и алгоритмического объединения нескольких разнотипных источников навигационной информации в едином вычислительном процессе на основе методов оптимальной фильтрации. Получили широкое развитие бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) на основе комплексирования данных микромеханических датчиков инерциальной информации и датчиков параметров движения в воздушном потоке с данными спутниковых навигационных систем (СНС). Однако в современных условиях такой подход не в полной мере реализует требования к помехозащищённости, автономности и точности получаемой навигационной информации. Одновременно с этим достигли значительного прогресса навигационные системы, использующие принципы корреляционно экстремальной навигации по оптическим ориентирам и цифровым картам местности. Предлагается схема построения автономной автоматической навигационной системы (АНС) для БЛА многоразового применения на основе объединения алгоритмов БИНС, спутниковой навигационной системы и оптической навигационной системы. The modern stage of automatic control and guidance systems development for small unmanned aerial vehicles (UAV) is determined by advanced requirements for autonomy, accuracy and size of the systems. The contradictory of the requirements dictates novel functional and algorithmic tight coupling of several different onboard sensors into one computational process, which is based on methods of optimal filtering. Nowadays, data fusion of micro-electro mechanical sensors of inertial measurement units, barometric pressure sensors, and signals of global navigation satellite systems (GNSS) receivers is widely used in numerous strap down inertial navigation systems (INS). However, the systems do not fully comply with such requirements as jamming immunity, fault tolerance, autonomy, and accuracy of navigation. At the same time, the significant progress has been recently demonstrated by the navigation systems, which use the correlation extremal principle applied for optical data flow and digital maps. This article proposes a new architecture of automatic navigation management system (ANMS) for small UAV, which combines algorithms of strap down INS, satellite navigation and optical navigation system.

In-Situ grown carbon nanotubes for enhanced CO2 detection in non-dispersive-infra-red system

Non-dispersive-infra-red (NDIR) sensors are believed to be one of the most selective and robust solutions for CO2 detection, though cost prohibits their broader integration. In this paper we propose a commercially viable silicon-on-insulator (SOI) complementary metal-oxide (CMOS) micro-electro-mechanical (MEMS) technology for an IR thermal emitter. For the first time, vertically aligned multi walled carbon nanotubes (VA-MWCNTs) are suggested as a possible coating for the enhancement of the emission intensity of the optical source of a NDIR system. VA-MWCNTs have been grown in situ by chemical vapour deposition (CVD) exclusively on the heater area. Optical microscopy, scanning electron microscopy and Raman spectroscopy have been used to verify the quality of the VA-MWCNTs growth. The CNT-coated emitter demonstrated an increased response to CO2 of approx. 60%. Furthermore, we show that the VA-MWCNTs are stable up to temperatures of 500°C for up to 100 hours. © 2013 IEEE.

Non-linear analysis of the thermo-electro-mechanical behaviour of shear deformable FGM plates with piezoelectric actuators

This paper investigates the non-linear bending behaviour of functionally graded plates that are bonded with piezoelectric actuator layers and subjected to transverse loads and a temperature gradient based on Reddy's higher-order shear deformation plate theory. The von Karman-type geometric non-linearity, piezoelectric and thermal effects are included in mathematical formulations. The temperature change is due to a steady-state heat conduction through the plate thickness. The material properties are assumed to be graded in the thickness direction according to a power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The plate is clamped at two opposite edges, while the remaining edges can be free, simply supported or clamped. Differential quadrature approximation in the X-axis is employed to convert the partial differential governing equations and the associated boundary conditions into a set of ordinary differential equations. By choosing the appropriate functions as the displacement and stress functions on each nodal line and then applying the Galerkin procedure, a system of non-linear algebraic equations is obtained, from which the non-linear bending response of the plate is determined through a Picard iteration scheme. Numerical results for zirconia/aluminium rectangular plates are given in dimensionless graphical form. The effects of the applied actuator voltage, the volume fraction exponent, the temperature gradient, as well as the characteristics of the boundary conditions are also studied in detail. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

The dynamics of polymerized carbon nanotubes in semiconductor polymer electronics and electro-mechanical sensing

Polymerized carbon nanotubes (CNTs) are promising materials for polymer-based electronics and electro-mechanical sensors. The advantage of having a polymer nanolayer on CNTs widens the scope for functionalizing it in various ways for polymer electronic devices. However, in this paper, we show for the first time experimentally that, due to a resistive polymer layer having carbon nanoparticle inclusions and polymerized carbon nanotubes, an interesting dynamics can be exploited. We first show analytically that the relative change in the resistance of a single isolated semiconductive nanotube is directly proportional to the axial and torsional dynamic strains, when the strains are small, whereas, in polymerized CNTs, the viscoelasticity of the polymer and its effective electrical polarization give rise to nonlinear effects as a function of frequency and bias voltage. A simplified formula is derived to account for these effects and validated in the light of experimental results. CNT–polymer-based channels have been fabricated on a PZT substrate. Strain sensing performance of such a one-dimensional channel structure is reported. For a single frequency modulated sine pulse as input, which is common in elastic and acoustic wave-based diagnostics, imaging, microwave devices, energy harvesting, etc, the performance of the fabricated channel has been found to be promising.

Characterization of a large-area PVDF thin film for electro-mechanical and ultrasonic sensing applications

Large-area PVDF thin films have been prepared and characterized for quasi-static and high frequency dynamic strain sensing applications. These films are prepared using hot press method and the piezoelectric phase (beta-phase) has been achieved by thermo-mechanical treatment and poling under DC field. The fabricated films have been characterized for quasi-static strain sensing and the linear strain-voltage relationship obtained is promising. In order to evaluate the ultrasonic sensing properties, a PZT wafer has been used to launch Lamb waves in a metal beam on which the PVDF film sensor is bonded at a distance. The voltage signals obtained from the PVDF films have been compared with another PZT wafer sensor placed on the opposite surface of the beam as a reference signal. Due to higher stiffness and higher thickness of the PZT wafer sensors, certain resonance patterns significantly degrade the sensor sensitivity curves. Whereas, the present results show that the large-area PVDF sensors can be superior with the signal amplitude comparable to that of PZT sensors and with no resonance-induced effect, which is due to low mechanical impedance, smaller thickness and larger area of the PVDF film. Moreover, the developed PVDF sensors are able to capture both A(0) and S-0 modes of Lamb wave, whereas the PZT sensors captures only A(0) mode in the same scale of voltage output. This shows promises in using large-area PVDF films with various surface patterns on structures for distributed sensing and structural health monitoring under quasi-static, vibration and ultrasonic situations. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Coupled electro-mechanical response of an electroactive polymer cantilever structure and its application in energy harvesting

Ionic polymer-metal composites (IPMC), piezoelectric polymer composites and nematic elastomer composites are materials, which exhibit characteristics of both sensors and actuators. Large deformation and curvature are observed in these systems when electric potential is applied. Effects of geometric non-linearity due to the chargeinduced motion in these materials are poorly understood. In this paper, a coupled model for understanding the behavior of an ionic polymer beam undergoing large deformation and large curvature is presented. Maxwell's equations and charge transport equations are considered which couple the distribution of the ion concentration and the pressure gradient along length of a cantilever beam with interdigital electrodes. A nonlinear constitutive model is derived accounting for the visco-elasto-plastic behavior of these polymers and based on the hypothesis that the presence of electrical charge stretches/contracts bonds, which give rise to electrical field dependent softening/hardening. Polymer chain orientation in statistical sense plays a role on such softening or hardening. Elementary beam kinematics with large curvature is considered. A model for understanding the deformation due to electrostatic repulsion between asymmetrical charge distributions across the cross-sections is presented. Experimental evidence that Silver(Ag) nanoparticle coated IPMCs can be used for energy harvesting is reported. An IPMC strip is vibrated in different environments and the electric power against a resistive load is measured. The electrical power generated was observed to vary with the environment with maximum power being generated when the strip is in wet state. IPMC based energy harvesting systems have potential applications in tidal wave energy harvesting, residual environmental energy harvesting to power MEMS and NEMS devices.

MEMS based pressure sensor with triple modular redundancy

In this paper, the design and development of micro electro mechanical systems (MEMS) based pressure sensor with triple modular redundancy (TMR) for space applications has been presented. In order to minimize the mass of the system and also to avoid the uncertainty in the pressure measurement of the three independent hardware, an integrated approach with TMR is adopted. Sequential steps of TMR logic followed and the test results obtained are included.