GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

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.

Piezoelectric Ultrasonic Micromotors

This report describes development of micro-fabricated piezoelectric ultrasonic motors and bulk-ceramic piezoelectric ultrasonic motors. Ultrasonic motors offer the advantage of low speed, high torque operation without the need for gears. They can be made compact and lightweight and provide a holding torque in the absence of applied power, due to the traveling wave frictional coupling mechanism between the rotor and the stator. This report covers modeling, simulation, fabrication and testing of ultrasonic motors. Design of experiments methods were also utilized to find optimal motor parameters. A suite of 8 mm diameter x 3 mm tall motors were machined for these studies and maximum stall torques as large as 10^(- 3) Nm, maximum no-load speeds of 1710 rpm and peak power outputs of 27 mW were realized. Aditionally, this report describes the implementation of a microfabricated ultrasonic motor using thin-film lead zirconate titanate. In a joint project with the Pennsylvania State University Materials Research Laboratory and MIT Lincoln Laboratory, 2 mm and 5 mm diameter stator structures were fabricated on 1 micron thick silicon nitride membranes. Small glass lenses placed down on top spun at 100-300 rpm with 4 V excitation at 90 kHz. The large power densities and stall torques of these piezoelectric ultrasonic motors offer tremendous promis for integrated machines: complete intelligent, electro-mechanical autonomous systems mass-produced in a single fabrication process.

Summary of Inventory Pilot Project March 1993 - December 1994

The Lean Aircraft Initiative began in the summer of 1992 as a “quick look” into the feasibility of applying manufacturing principles that had been pioneered in the automobile industry, most notably the Toyota Production System, to the U.S. defense aircraft industry. Once it was established that “lean principles” (the term coined to describe the new paradigm in automobile manufacturing) were indeed applicable to aircraft manufacturing as well, the Initiative was broadened to include other segments of the defense aerospace industry. These consisted of electronics/avionics, engines, electro-mechanical systems, missiles, and space systems manufacturers. In early 1993, a formal framework was established in which 21 defense firms and the Air Force formed a consortium to support and participate in the Initiative at M.I.T.

Wind turbine blade pitch control system

The present invention provides an improvement for a wind turbine (20) having at least one blade (21) mounted on a hub (22) for controlled rotation about a blade axis (yb-yb) to vary the pitch of the blade relative to an airstream. The hub is mounted on a nacelle (23) for rotation about a hub axis (xh-xh). The wind turbine includes a main pitch control system for selectively controlling the pitch of the blade, and/or a safety pitch control system for overriding the main blade pitch control system and for causing the blade to move toward a feathered position in the event of an overspeed or fault condition. The improvement includes: an energy storage device (26) mounted on the nacelle and associated with the blade; a pitch-axis controller (25) mounted on the nacelle and associated with the blade and with the energy storage device; an electro-mechanical actuator (28) mounted on the hub and associated with the blade; and at least one slip ring (29) operatively arranged to transmit power and/or data signals between the pitch-axis controller and the electro-mechanical actuator; whereby the mass on the rotating hub may be reduced.

Comparison of low-power wireless communication technologies for wearable health-monitoring applications

Health monitoring technologies such as Body Area Network (BAN) systems has gathered a lot of attention during the past few years. Largely encouraged by the rapid increase in the cost of healthcare services and driven by the latest technological advances in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless communications. BAN technology comprises of a network of body worn or implanted sensors that continuously capture and measure the vital parameters such as heart rate, blood pressure, glucose levels and movement. The collected data must be transferred to a local base station in order to be further processed. Thus, wireless connectivity plays a vital role in such systems. However, wireless connectivity comes at a cost of increased power usage, mainly due to the high energy consumption during data transmission. Unfortunately, battery-operated devices are unable to operate for ultra-long duration of time and are expected to be recharged or replaced once they run out of energy. This is not a simple task especially in the case of implanted devices such as pacemakers. Therefore, prolonging the network lifetime in BAN systems is one of the greatest challenges. In order to achieve this goal, BAN systems take advantage of low-power in-body and on-body/off-body wireless communication technologies. This paper compares some of the existing and emerging low-power communication protocols that can potentially be employed to support the rapid development and deployment of BAN systems.

A Versao 2006 da Equipe POTI de Futebol de Robos o

Auciomar C. T. Cerqueira;Filipe C. A. Lins ; Adelardo A. D. Medeiros ; Pablo J. Alsina1. A versao 2006 da Equipe POTI de futebol de robos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE AUTOMÁTICA,2. Campo Grande, RS, 2006. Anais... Campo Grande: JRI, 2006.

Algoritmos genéricos para otimização de uma arquitetura de controle inteligente híerárquico

A hierarchical fuzzy control scheme is applied to improve vibration suppression by using an electro-mechanical system based on the lever principle. The hierarchical intelligent controller consists of a hierarchical fuzzy supervisor, one fuzzy controller and one robust controller. The supervisor combines controllers output signal to generate the control signal that will be applied on the plant. The objective is to improve the performance of the electromechanical system, considering that the supervisor could take advantage of the different techniques based controllers. The robust controller design is based on a linear mathematical model. Genetic algorithms are used on the fuzzy controller and the supervisor tuning, which are based on non-linear mathematical model. In order to attest the efficiency of the hierarchical fuzzy control scheme, digital simulations were employed. Some comparisons involving the optimized hierarchical controller and the non-optimized hierarchical controller will be made to prove the efficiency of the genetic algorithms and the advantages of its use

Robust control applications for smart truss structure

A finite element modeling of an intelligent truss structure with piezoelectric stack actuators for the purpose of active damping and structural vibration attenuation is presented. This paper concerns with the following issues aspects: the design of intelligent truss structure considering electro-mechanical coupling between the host structure and piezoelectric stack actuators; the H 2 norm approach to search for optimal placement of actuators and sensors; and finally some aspects in robust control techniques. The electro-mechanical behavior of piezoelectric elements is directly related to the successful application of the actuators in truss structures. In order to achieve the desired damping in the interested bandwidth frequency it is used the H ∞ output feedback solved by convex optimization. The constraints to be reached are written by linear matrix inequalities (LMI). The paper concludes with a numerical example, using Matlab and Simulink, in a cantilevered, 2-bay space truss structure. The results demonstrated the approach applicability.

Utilização de materiais piezelétricos (PZTS) para coleta e armazenamento de energia

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise modal de uma estrutura do tipo viga utilizando materiais piezelétricos (PVDF) como sensores

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Uso de absorvedores de vibrações eletromecânicos lineares e não-lineares em sistemas não-lineares e não-ideais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise da viabilidade técnica e econômica de implantação de uma microusina hidrelétrica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Compression waves and kinetic energy losses in collisions between balls and rods of different lengths

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

Dispositivo de microdescargas em gases na pressão atmosférica

This work describes the development of an electro-mechanical micro-discharges device operating at ambient condition of pressure and temperature, capable to produce plasma jets for surface finishing. The discharges are produced through a needle shape electrode hollow cathode type by which flows the helium gas. The voltage applied on the electrode is provided for an AC/AC switching voltage converter of full-bridge topology. The converter is energized by a power line of 110/220 VAC, 60 Hz and gives a 1000 V peak-to-peak from 5 kHz to 40 kHz square waveform output. The output frequency is defined by a control signal provided by an external signal generator. The equipment setup includes output acquisition of voltage and current and a photo-detector for photo-electrical measurements, which allows an optical characterization of the plasma jet