Design and Development of Compact Chipless RFID Tags with High Data Encoding Capacity

The main objective of this thesis is to develop a compact chipless RFID tag with high data encoding capacity. The design and development of chipless RFID tag based on multiresonator and multiscatterer methods are presented first. An RFID tag using using SIR capable of 79bits is proposed. The thesis also deals with some of the properties of SIR like harmonic separation, independent control on resonant modes and the capability to change the electrical length. A chipless RFID reader working in a frequency band of 2.36GHz to 2.54GHz has been designed to show the feasibility of the RFID system. For a practical system, a new approach based on UWB Impulse Radar (UWB IR) technology is employed and the decoding methods from noisy backscattered signal are successfully demonstrated. The thesis also proposes a simple calibration procedure, which is able to decode the backscattered signal up to a distance of 80cm with 1mW output power.

Design and Synthesis of Donor-Acceptor Low Band Gap Copolymers for Photoconductive and Non-linear Optical Applications

The main focus of the present study was to develop ideal low band gap D-A copolymers for photoconducting and non-linear optical applications. This chapter summarizes the overall research work done. Designed copolymers were synthesized via direct arylation or Suzuki coupling reactions. Copolymers were characterized by theoretical and experimental methods. The suitability of these copolymers in photoconducting and optical limiting devices has been investigated.The results suggest that the copolymers investigated in the present study have a good non-linear optical response and are comparable to or even better than the D-A copolymers reported in the literature and hence could be chosen as ideal candidates with potential applications for non-linear optics. The results also show that the structures of the polymers have great impact on NLO properties. Copolymers studied here exhibits good optical limiting property at 532 nm wavelength due to two-photon absorption (TPA) process. The results revealed that the two copolymers, (P(EDOT-BTSe) and P(PH-TZ)) exhibited strong two-photon absorption and superior optical power limiting properties, which are much better than that of others.

Design and Development of Fiber Grating Based Chemical and Bio-Sensors

International School of Photonics

Design and Development of Spectral Signature Based Chipless RFID Tags

The main objective of this thesis is to design and develop spectral signature based chipless RFID tags Multiresonators are essential component of spectral signature based chipless tags. To enhance the data coding capacity in spectral signature based tags require large number of resonances in a limited bandwidth. The frequency of the resonators have to be close to each other. To achieve this condition, the quality factor of each resonance needs to be high. The thesis discusses about various types of multiresonators, their practical implementation and how they can be used in design. Encoding of data into spectral domain is another challenge in chipless tag design. Here, the technique used is the presence or absence encoding technique. The presence of a resonance is used to encode Logic 1 and absence of a speci c resonance is used to encode Logic 0. Di erent types of multiresonators such as open stub multiresonators, coupled bunch hairpin resonators and shorted slot ground ring resonator are proposed in this thesis.

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.

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.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Design and Implementation of a Flexible Robot

This robot has low natural frequencies of vibration. Insights into the problems of designing joint and link flexibility are discussed. The robot has three flexible rotary actuators and two flexible, interchangeable links, and is controlled by three independent processors on a VMEbus. Results from experiments on the control of residual vibration for different types of robot motion are presented. Impulse prefiltering and slowly accelerating moves are compared and shown to be effective at reducing residual vibration.

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.

Design and Control of an Anthropomorphic Robotic Finger with Multi-point Tactile Sensation

The goal of this research is to develop the prototype of a tactile sensing platform for anthropomorphic manipulation research. We investigate this problem through the fabrication and simple control of a planar 2-DOF robotic finger inspired by anatomic consistency, self-containment, and adaptability. The robot is equipped with a tactile sensor array based on optical transducer technology whereby localized changes in light intensity within an illuminated foam substrate correspond to the distribution and magnitude of forces applied to the sensor surface plane. The integration of tactile perception is a key component in realizing robotic systems which organically interact with the world. Such natural behavior is characterized by compliant performance that can initiate internal, and respond to external, force application in a dynamic environment. However, most of the current manipulators that support some form of haptic feedback either solely derive proprioceptive sensation or only limit tactile sensors to the mechanical fingertips. These constraints are due to the technological challenges involved in high resolution, multi-point tactile perception. In this work, however, we take the opposite approach, emphasizing the role of full-finger tactile feedback in the refinement of manual capabilities. To this end, we propose and implement a control framework for sensorimotor coordination analogous to infant-level grasping and fixturing reflexes. This thesis details the mechanisms used to achieve these sensory, actuation, and control objectives, along with the design philosophies and biological influences behind them. The results of behavioral experiments with a simple tactilely-modulated control scheme are also described. The hope is to integrate the modular finger into an %engineered analog of the human hand with a complete haptic system.

Modeling, Estimation, and Control of Robot-Soil Interactions

This thesis presents the development of hardware, theory, and experimental methods to enable a robotic manipulator arm to interact with soils and estimate soil properties from interaction forces. Unlike the majority of robotic systems interacting with soil, our objective is parameter estimation, not excavation. To this end, we design our manipulator with a flat plate for easy modeling of interactions. By using a flat plate, we take advantage of the wealth of research on the similar problem of earth pressure on retaining walls. There are a number of existing earth pressure models. These models typically provide estimates of force which are in uncertain relation to the true force. A recent technique, known as numerical limit analysis, provides upper and lower bounds on the true force. Predictions from the numerical limit analysis technique are shown to be in good agreement with other accepted models. Experimental methods for plate insertion, soil-tool interface friction estimation, and control of applied forces on the soil are presented. In addition, a novel graphical technique for inverting the soil models is developed, which is an improvement over standard nonlinear optimization. This graphical technique utilizes the uncertainties associated with each set of force measurements to obtain all possible parameters which could have produced the measured forces. The system is tested on three cohesionless soils, two in a loose state and one in a loose and dense state. The results are compared with friction angles obtained from direct shear tests. The results highlight a number of key points. Common assumptions are made in soil modeling. Most notably, the Mohr-Coulomb failure law and perfectly plastic behavior. In the direct shear tests, a marked dependence of friction angle on the normal stress at low stresses is found. This has ramifications for any study of friction done at low stresses. In addition, gradual failures are often observed for vertical tools and tools inclined away from the direction of motion. After accounting for the change in friction angle at low stresses, the results show good agreement with the direct shear values.

Segmentation and Alignment of Speech and Sketching in a Design Environment

Sketches are commonly used in the early stages of design. Our previous system allows users to sketch mechanical systems that the computer interprets. However, some parts of the mechanical system might be too hard or too complicated to express in the sketch. Adding speech recognition to create a multimodal system would move us toward our goal of creating a more natural user interface. This thesis examines the relationship between the verbal and sketch input, particularly how to segment and align the two inputs. Toward this end, subjects were recorded while they sketched and talked. These recordings were transcribed, and a set of rules to perform segmentation and alignment was created. These rules represent the knowledge that the computer needs to perform segmentation and alignment. The rules successfully interpreted the 24 data sets that they were given.