Modeling, design and experimental characterization of Micro-Electro-Mechanical-Systems for gas chromatographic applications

Design parameters, process flows, electro-thermal-fluidic simulations and experimental characterizations of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) suited for gas-chromatographic (GC) applications are presented and thoroughly described in this thesis, whose topic belongs to the research activities the Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM)-Bologna is involved since several years, i.e. the development of micro-systems for chemical analysis, based on silicon micro-machining techniques and able to perform analysis of complex gaseous mixtures, especially in the field of environmental monitoring. In this regard, attention has been focused on the development of micro-fabricated devices to be employed in a portable mini-GC system for the analysis of aromatic Volatile Organic Compounds (VOC) like Benzene, Toluene, Ethyl-benzene and Xylene (BTEX), i.e. chemical compounds which can significantly affect environment and human health because of their demonstrated carcinogenicity (benzene) or toxicity (toluene, xylene) even at parts per billion (ppb) concentrations. The most significant results achieved through the laboratory functional characterization of the mini-GC system have been reported, together with in-field analysis results carried out in a station of the Bologna air monitoring network and compared with those provided by a commercial GC system. The development of more advanced prototypes of micro-fabricated devices specifically suited for FAST-GC have been also presented (silicon capillary columns, Ultra-Low-Power (ULP) Metal OXide (MOX) sensor, Thermal Conductivity Detector (TCD)), together with the technological processes for their fabrication. The experimentally demonstrated very high sensitivity of ULP-MOX sensors to VOCs, coupled with the extremely low power consumption, makes the developed ULP-MOX sensor the most performing metal oxide sensor reported up to now in literature, while preliminary test results proved that the developed silicon capillary columns are capable of performances comparable to those of the best fused silica capillary columns. Finally, the development and the validation of a coupled electro-thermal Finite Element Model suited for both steady-state and transient analysis of the micro-devices has been described, and subsequently implemented with a fluidic part to investigate devices behaviour in presence of a gas flowing with certain volumetric flow rates.

Design and fabrication of two switched superconductivity microstrip hairpin filters using series micro-electro-mechanical systems (MEMS) switches

Series Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) switches based on superconductor are utilized to switch between two bandpass hairpin filters with bandwidths of 365 MHz and nominal center frequencies of 2.1 GHz and 2.6 GHz. This was accomplished with 4 switches actuated in pairs, one pair at a time. When one pair was actuated the first bandpass filter was coupled to the input and output ports. When the other pair was actuated the second bandpass filter was coupled to the input and output ports. The device is made of a YBa2Cu 3O7 thin film deposited on a 20 mm x 20 mm LaAlO3 substrate by pulsed laser deposition. BaTiO3 deposited by RF magnetron sputtering in utilized as the insulation layer at the switching points of contact. These results obtained assured great performance showing a switchable device at 68 V with temperature of 40 K for the 2.1 GHz filter and 75 V with temperature of 30 K for the 2.6 GHz hairpin filter. ^

Optimal linear control to parametric uncertainties in a micro electro mechanical system

This paper, a micro-electro-mechanical systems (MEMS) with parametric uncertainties is considered. The non-linear dynamics in MEMS system is demonstrated with a chaotic behavior. We present the linear optimal control technique for reducing the chaotic movement of the micro-electromechanical system with parametric uncertainties to a small periodic orbit. The simulation results show the identification by linear optimal control is very effective. © 2013 Academic Publications, Ltd.

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.

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.

A reducing of a chaotic movement to a periodic orbit, of a micro-electro-mechanical system, by using an optimal linear control design

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

Chaotic vibrations of a nonideal electro-mechanical system

Nonideal systems are those in which one takes account of the influence of the oscillatory system on the energy supply with a limited power (Kononenko, 1969). In this paper, a particular nonideal system is investigated, consisting of a pendulum whose support point is vibrated along a horizontal guide by a two bar linkage driven by a DC motor, considered to be a limited power supply. Under these conditions, the oscillations of the pendulum are analyzed through the variation of a control parameter. The voltage supply of the motor is considered to be a reliable control parameter. Each simulation starts from zero speed and reaches a steady-state condition when the motor oscillates around a medium speed. Near the fundamental resonance region, the system presents some interesting nonlinear phenomena, including multi-periodic, quasiperiodic, and chaotic motion. The loss of stability of the system occurs through a saddle-node bifurcation, where there is a collision of a stable orbit with an unstable one, which is approximately located close to the value of the pendulum's angular displacement given by alpha (C)= pi /2. The aims of this study are to better understand nonideal systems using numerical simulation, to identify the bifurcations that occur in the system, and to report the existence of a chaotic attractor near the fundamental resonance. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Swarm control designs applied to a micro-electro-mechanical gyroscope system (MEMS)

This paper analyzes the non-linear dynamics of a MEMS Gyroscope system, modeled with a proof mass constrained to move in a plane with two resonant modes, which are nominally orthogonal. The two modes are ideally coupled only by the rotation of the gyro about the plane's normal vector. We demonstrated that this model has an unstable behavior. Control problems consist of attempts to stabilize a system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. We also developed a particle swarm optimization technique for reducing the oscillatory movement of the nonlinear system to a periodic orbit. © 2010 Springer-Verlag.

VLSI testing and characterization system for micro electro-mechanical (MEM) sensors

The purpose of this investigation was to develop and implement a general purpose VLSI (Very Large Scale Integration) Test Module based on a FPGA (Field Programmable Gate Array) system to verify the mechanical behavior and performance of MEM sensors, with associated corrective capabilities; and to make use of the evolving System-C, a new open-source HDL (Hardware Description Language), for the design of the FPGA functional units. System-C is becoming widely accepted as a platform for modeling, simulating and implementing systems consisting of both hardware and software components. In this investigation, a Dual-Axis Accelerometer (ADXL202E) and a Temperature Sensor (TMP03) were used for the test module verification. Results of the test module measurement were analyzed for repeatability and reliability, and then compared to the sensor datasheet. Further study ideas were identified based on the study and results analysis. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) design concepts were also being pursued.

Optimization problems for controlled mechanical systems : bridging the gap between theory and application

Mechanical control systems have become a part of our everyday life. Systems such as automobiles, robot manipulators, mobile robots, satellites, buildings with active vibration controllers and air conditioning systems, make life easier and safer, as well as help us explore the world we live in and exploit it’s available resources. In this chapter, we examine a specific example of a mechanical control system; the Autonomous Underwater Vehicle (AUV). Our contribution to the advancement of AUV research is in the area of guidance and control. We present innovative techniques to design and implement control strategies that consider the optimization of time and/or energy consumption. Recent advances in robotics, control theory, portable energy sources and automation increase our ability to create more intelligent robots, and allows us to conduct more explorations by use of autonomous vehicles. This facilitates access to higher risk areas, longer time underwater, and more efficient exploration as compared to human occupied vehicles. The use of underwater vehicles is expanding in every area of ocean science. Such vehicles are used by oceanographers, archaeologists, geologists, ocean engineers, and many others. These vehicles are designed to be agile, versatile and robust, and thus, their usage has gone from novelty to necessity for any ocean expedition.