La microscopie champ proche micro-onde, qui fait partie de la famille des microscopies à sonde locale, est envisagée aujourd’hui dans de nombreux domaines d’applications de la physique, de la biologie et des micro et nanotechnologies. Dans ce manuscrit, le microscope micro-onde à champ proche qui est exploité est un instrument développé au laboratoire IEMN bénéficiant d’une grande sensibilité dans une large bande de fréquences de travail [2-18 GHz]. Le potentiel d’applications du microscope est démontré au travers de la caractérisation de liquides avec différentes modalités de caractérisation (sonde en contact, sans contact et en immersion). En particulier, cet outil est mis en œuvre pour la spectroscopie diélectrique de solutions aqueuses de glucose.Cet instrument qui offre une capacité d'imagerie sub-longueur d'onde est également testé pour différentes situations (imagerie de surface et de sub-surface). La résolution d'imagerie ainsi que la précision de mesure sont évaluées puis des méthodes de traitement d'images simples sont proposées pour améliorer la qualité de l'imagerie. Enfin, une piste pour une intégration plus grande de l’instrument, qui consisterait à remplacer l’analyseur de réseau par un dispositif plus compact (type réflectomètre six-ports) est explorée. / Near-field microwave microscopes, which belong to the local scanning probe microscopes family, are considered today as advanced characterization tools in many applications areas including physics, biology and micro and nanotechnologies. The near-field microwave microscope that is used in the work and described in this manuscript is an instrument developed at IEMN owning a great sensitivity in a wide operating frequency band [2-18 GHz]. The potential of the microscope in terms of applications is demonstrated through the characterization of liquids with different modalities of characterization (probe in contact, non-contact and immersed in a liquid). In particular, this instrument is investigated for dielectric spectroscopy of aqueous glucose solutions.This characterization tool that offers sub-wavelength imaging capability is also tested in different situations (surface and subsurface imaging). Imaging resolution and measurement accuracy are evaluated and easily implementable processing methods are proposed to improve the quality of imaging. Finally, a solution towards a larger compactness of the instrument is investigated through the replacement of the network analyzer by a more compact device (six-port reflectometer type).

Les microscopes champ proche micro-ondes sont des instruments émergents pour la caractérisation de matériaux. Dans ce travail, un microscope champ proche micro-ondes fait maison est d'abord décrit et analysé en termes de résolution et de largeur de bande de fréquences de fonctionnement. Ensuite, il est mis en œuvre pour la caractérisation d'une grande variété de matériaux tels que par exemple des métaux, des semi-conducteurs, des diélectriques, des liquides et des nanomatériaux 2D. Le système intégre un interférométre pour améliorer la sensibilité de la mesure pour des fréquences de fonctionnement couvrant la bande 2-18 GHz. La sensibilité et les différents modes de fonctionnement disponibles (contact, sans contact, environnement liquide) permettent d'adresser une grande variété de domaines d'applications. La résolution latérale obtenue par cet instrument est plus petite de plusieurs ordres de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation locale. Les propriétés électromagnétiques des matériaux ont été extraites en utilisant la méthode de perturbation et celle de la ligne de transmission. En particulier, les propriétés diélectriques de solutions salines aqueuses et l’impédance complexe du graphène ont été étudiées dans une large bande de fréquence. Ce microscope champ proche micro-ondes basé sur une méthode interférométrique qui permet une analyse quantitative des propriétés des matériaux de manière non-destructive peut adresser un grand éventail d’applications dans de nombreux domaines scientifiques. Enfin, l’ensemble des résultats montre que potentiellement la microscopie champ proche micro-ondes dispose des atouts pour devenir un outil de métrologie important pour la caractérisation en micro- et nano-électronique. / Near-field microwave microscopes are emerging instruments for materials characterization. In this work, a home-made near-field microwave microscope is first described and analyzed in terms of resolution performance and frequency band of operation. Then, it is applied to the characterization of a large variety of materials such as metals, semiconductors, dielectrics, liquids and 2D nanomaterials. The system is based on an interferometric technique to improve the measurement sensitivity in the entire frequency range of operation spanning from 2 to 18 GHz. The sensitivity and the different operating modes available (contact, non-contact, liquid environment) allow addressing a large variety of application fields. The instrument allows a sub-wavelength lateral resolution which is more than two orders of magnitude smaller than the operating wavelength, opening the way to a local characterization. The cavity perturbation and transmission line approaches have been used to extract the electromagnetic properties of materials. In particular dielectric properties of saline aqueous solutions and complex impedance of graphene have been investigated in a broad frequency band. It provides a quantitative analysis of material properties in a non-destructive manner to address numerous applications in many scientific fields. Finally, all the results together show that the interferometer-based near-field microwave microscope has the potential to become an important metrology tool for characterizations in micro- and nano-electronics.

La combinaison de plusieurs procédés d’imagerie et de mesure permet d’obtenir des ensembles de données complémentaires et parfois uniques. A l’aide d’une technique hybride de microscopie présentant des modalités de mesure différentes et des enregistrements synchrones, on peut recueillir des informations complémentaires sur des échantillons à l’échelle nanométrique. De plus, l’intégration de procédés nanorobotiques et de logiciels open-source permet une approche technologique pour la recherche sur les semi-conducteurs et les sciences des matériaux. Ce travail démontre le potentiel d’une telle technologie. Ce démonstrateur fonctionne dans la chambre d‘un MEB et sert de plateforme technologique dans laquelle sont intégrés différentes modalités, technologies et procédés. Un AFM basé sur un interféromètre optique compact permet l’imagerie de la topographie de surface tandis qu’un microscope à micro-ondes à balayage enregistre les caractéristiques électromagnétiques dans la gamme de fréquence des micro-ondes, le tout opérant dans le même MEB. L’engin est contrôlé par un ensemble de logiciels qui est optimisé pour la nanorobotique basée sur l‘imagerie. Ce démonstrateur technologique permet d’observer en direct la région d’intérêt à l’aide du microscope électronique tandis qu’est effectuée en champ proche la caractérisation de la surface de l’échantillon par intermédiaire des micro-ondes évanescentes et des forces intermoléculaires. Ensuite, est présenté un standard multimodal de test et qui valide la fonctionnalité de l’instrument démonstrateur. Le présent travail est complété par une analyse électrique de capacités MOS ainsi que leur approximation destinée au calibrage. / Various disciplines of micro- and nanotechnology requires combinatorial tools for the investigation, manipulation and transport of materials in the submicrometer range. The coupling of multiple sensing and imaging techniques allows for obtaining complementary and often unique datasets of samples under test. By means of an integrated microscopy technique with different modalities, it is possible to gain multiple information about nanoscale samples by recording at the same time. The expansion with nanorobotics and an open-source software framework, leads to a technology approach for semiconductor research and material science. This work shows the potential of such a multimodal technology approach by focusing on a demonstrator setup. It operates under high-vacuum conditions inside the chamber of a Scanning Electron Microscope and serves as a technology platform by fusing various microscopy modalities, techniques and processes. An Atomic Force Microscope based on a compact, optical interferometer performs imaging of surface topography, and a Scanning Microwave Microscope records electromagnetic properties in the microwave frequency domain, both operating inside an SEM. A software framework controls the instrument. The setup allows for observing with SEM, while imaging and characterizing with interacting evanescent microwaves and intermolecular forces simultaneously. In addition, a multimodal test standard is introduced and subsequently confirms the functionality of the demonstrator. Within this context, the work also includes an electrical analysis of micro-scale MOS capacitors, including an approximation for use in the calibration.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε η θεωρία των Direct Digital Synthesizers, ενώ σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένας Dual Direct Digital Synthesizer. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφερόμαστε με συντομία στην ιστορική εξέλιξη, στα πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές της τεχνολογίας DDS. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύουμε τον τρόπο λειτουργίας ενός συνθέτη DDS και στην συνέχεια δίνουμε έμφαση, στα λειτουργικά μπλόκ που τον αποτελούν και στο μοντέλο θορύβου του. Στην συνέχεια αναφέρουμε το πρωτόκολλο επικοινωνίας του Dual Synthesizer με τον υπολογιστή καθώς ο έλεγχος πραγματοποιείται απο PC. Η ιδέα αυτή αποτελεί μέρος, ενός μεγαλύτερου σχεδιόυ που διεξάγεται στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της ιδέας αυτής είναι η δημιουργία ενος Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Οργάνων (Desktop Lab) το οποίο αφενός δεν θα υστερεί σε τίποτα απο τα συνηθισμένα εργαστήρια αφετέρου ο οποιοσδήποτε θα μπορεί να έχει πρόσβαση σε αυτό μέσω διαδικτύου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά του σχεδιασμού του Hardware της γεννήτριας, ενώ στο πέμπτο επικεντρονόμαστε στον προγραμματισμό του FPGA του συστήματος. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται το software του Dual Synthesizer. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο παραθέτουμε μερικές μετρήσεις που επιβεβαιώνουν την ορθότητα της σχεδίασης και της κατασκευής. / Throughout this dissertation the theody of Direcl Digital Synthesizers was studied while at the same time a Dual Direct Digital Synthesizer was designed and implemented. In the first part we briefly mentioned the evolution, the advantages and some applications of DDS technology. In the second part we analyzed the method of operation of DDS synthesizer and followed up by placing emphasis on the operational blocks which it consists of, and the noise model. After which we noted the communication protocol of the Dual Synthesizer with the computer since it tis controlled by it. This concept is part of a greater ongoing plan in the applied Electronics Laboratory of the department of Electrical Engineering of Upatras. The goal of this idea is the development of an electronic instrument laboratory which would not only have everything a conventional laboratory would have but also could be accessed through the internet. In the fourth part we noted the design of the hardware while in the fifth part, we focused on the programming of the FPGA of the system. In the sixth part we analyzed the software of the Dual Synthesizer. Finally in the seventh part we depicted some measurements that validate the accuracy of the design and implementation.

Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση ενός συστήματος που να επιτρέπει την μελέτη των τεχνικών Σύνθεσης Συχνοτήτων με βρόχο κλειδωμένης φάσης μέσω του RMCLab. Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και σχεδιάστηκε το κατάλληλο υλικό (hardware) και λογισμικό (software) έτσι ώστε να δίνεται η δυνατότητα μελέτης του βρόχου σύνθεσης συχνότητας χωρίς κανένα ουσιαστικό περιορισμό. Ο χρήστης του συστήματος που κατασκευάστηκε σ’ αυτή τη διπλωματική εργασία μπορεί να μελετήσει βρόχους σύνθεσης συχνοτήτων που υλοποιούνται με όλες τις γνωστές μέχρι σήμερα τεχνικές (πχ: Integer N, Fractional, ΣΔ), ή ακόμη να εφαρμόσει δικές του τεχνικές ή νέες, πρόσφατες τεχνικές όπως αυτή του DIPA. Μπορεί επιπλέον να σχεδιάσει και να χρησιμοποιήσει τους δικούς του διαιρέτες συχνότητας, τον δικό του phase/frequency comparator και ακόμη να επιλέξει μέσα από μία ευρεία περιοχή στοιχείων (αντιστάσεις πυκνωτές) για την υλοποίηση του φίλτρου του συνθέτη. Εκτιμούμε ότι το αποτέλεσμα αυτής της διπλωματικής εργασίας θα συμβάλει σημαντικά στην κατανόηση του βρόχου κλειδωμένης φάσης και του συνθέτη συχνοτήτων από τους φοιτητές, και επιπλέον θα διευκολύνει σημαντικά την υλοποίηση και πειραματική επιβεβαίωση νέων διατάξεων βασισμένων σε βρόχο κλειδωμένης φάσης. / The aim of this dissertation is the development and implementation of the appropriate hardware and software for enabling the study of the PLL based frequency synthesis techniques using the facilities of the RMCLab (Remote Monitored and Controlled Lab.). The RMCLab user is now able to study deeply on the well known techniques of frequency synthesis as Integer N, Fractional or ΣΔ, since the developed system enables him to access and customize any of the synthesizer components (dividers, phase/frequency detector, filter). Additionally, the system allows the user to apply new appeared frequency synthesis techniques such as the DIPA technique, or even to develop and experiment on his own ideas regarding frequency synthesis. It is anticipated that the system developed under this dissertation will enable students to deeply understand on the theory of phase locked loop and practice on various frequency synthesis techniques.

Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός ενός συνθέτη συχνοτήτων για MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) UWB εφαρμογές. Ο συνθέτης συχνοτήτων αποτελεί εξέχουσας σημασίας δομικό στοιχείο των RF πομποδεκτών αφού είναι υπεύθυνος για την παραγωγή του (LO oscillator) σήματος που οδηγεί τον downconverter και τον upconverter στο μονοπάτι του δέκτη και του πομπού αντίστοιχα. Μελετήθηκαν οι δομές, οι κυριότερες τοπολογίες και τα χαρακτηριστικά ενός τυπικού συνθέτη συχνοτήτων καθώς και τα κύρια εξαρτήματα που το απαρτίζουν. Αφού μελετήσαμε το βασικό και το εναλλακτικό σχέδιο συχνοτήτων όπως παρουσιάζεται από το MB-OFDM πρότυπο προτείναμε την κατάλληλη τοπολογία η οποία και διαφέρει από αυτή των τυπικών συνθετών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται ευρέως στα ασύρματα συστήματα τηλεπικοινωνιών λόγω των υψηλών απαιτήσεων της UWΒ τεχνολογίας. Η επιλογή των εξαρτημάτων που απαρτίζουν τον συνθέτη συχνοτήτων έγινε με βάση την ελαχιστοποίηση του θορύβου φάσης και της κατανάλωσης ισχύος, της εξάλειψης ανεπιθύμητων σημάτων στην έξοδό του, τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν παρεμβολές σε άλλα τηλεπικοινωνιακά συστήματα καθώς και την επίτευξη μικρού χρόνου αποκατάστασης που απαιτεί ένας τέτοιος συνθέτης. Προτείνεται και εξομοιώθηκε λοιπόν συνθέτης συχνοτήτων με περιοχή λειτουργίας του από 3.1 έως 10.6 GHz με βήμα συχνότητας 528 MHz όπως αυτή ορίζεται από το πρότυπο 802.15.3 που αναφέρεται στην UWB τεχνολογία. Από τα αποτελέσματα της εξομοίωσης προκύπτει ότι επιτυγχάνεται χαμηλός θόρυβος φάσης, μικρός χρόνος αποκατάστασης και μικρή ισχύς των ανεπιθύμητων σημάτων, αποτελέσματα που συνάδουν με τις απαιτήσεις της UWB τεχνολογίας. Τέλος προτείνεται και υλοποιείται η πλακέτα του βρόχου κλειδωμένης φάσης ο οποίος και αποτελεί το βασικό δομικό στοιχείο του συνθέτη συχνοτήτων. / The subject of the present essay is the design of a frequency synthesizer for MB-OFDM (Multiband Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) UWB applications. The frequency synthesizer is a structural part of foremost importance at the RF transceivers, as it is responsible for the production of the signal (LO oscillator) that leads the downconverter and the upconverter at the path of the receiver and the transmitter correspondingly. Structures, principal topologies and a typical’s frequency synthesizer characteristics have been studied, as well as the main components that compose it. After having studied the current and the alternate frequency plan –as presented by MB-OFDM standard-, we proposed the proper topology, which is different from the one for the typical frequency synthesizers, that are widely used at the RF communication systems, due to UWB technology’s high specifications. The choice of the components that compose the frequency synthesizer is based on the minimization of the phase noise and the power consumption, on the reduction of spurious signals during its entrance, which can create interferences to other communicational systems, as well as on the accomplishment of a short settling time, which a synthesizer of this kind demands. So, a frequency synthesizer with a frequency range from 3.1 to 10.6 GHz, with a frequency step of 528 MHz -as it is defined from the standard 802.15.3 that is referred at UWB technology-, has been proposed and simulated. From the results of the simulation, it emerges that a low phase noise is accomplished, a short settling time and a low power of spurious signals, results that add up to UWB technology’s specifications. Finally, the PCB (printed circuit board) of the phase locked loop - which consists the basic structural part of the frequency synthesizer - has been proposed and implemented.

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται η αρχιτεκτονική και τα χαρακτηριστικά ενός νέου συνθέτη συχνοτήτων (Frequency Synthesizer) που βασίζεται στην τεχνική του βρόχου κλειδωμένης φάσης (Phase-Locked Loop). Η νέα αρχιτεκτονική ξεπερνά την δυσκολία του απλού συνθέτη συχνοτήτων να έχει ταυτόχρονα μικρό βήμα συχνότητας και μικρό χρόνο κλειδώματος, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί και επαυξάνει την δυνατότητα των απλών συνθετών να απορρίπτουν τον θόρυβο φάσης, δίνοντας έτσι πολύ καλή ποιότητα σήματος εξόδου. Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν τον νέο συνθέτη πολύ ανταγωνιστικό. / This Diploma Thesis studies the architecture and the characteristics of a new Frequency Synthesizer which based on the Phase-Locked Loop technique. This new architecture overcomes the difficulty of the simple frequency synthesizer to have simultaneously small frequency step and small locking time, while maintains and enhances the possibility to reject phase noise. This concludes to the high quality of the output signal. The above characteristics make the new synthesizer very competitive.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και υλοποίηση συνθέτη συχνοτήτων διπλού βρόχου σε συχνότητες 3-6 GHz για ασύρματες εφαρμογές UWB και HiperLAN2. Ο συνθέτης συχνοτήτων σχεδιάστηκε με διακριτά στοιχεία, χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική του βρόχου κλειδωμένης φάσης (PLL) και λειτουργεί με 2 τρόπους, είτε παράγοντας σήματα συχνότητας από 3168 MHz έως 6336 MHz με βήμα συχνότητας 528 MHz, είτε παράγοντας σήματα συχνότητας από 4800 MHz έως 5000 MHz με βήμα συχνότητας 10 MHz. Παρά το γεγονός ότι η αρχιτεκτονική διπλού βρόχου έχει αντικατασταθεί από την αρχιτεκτονική fractional-N για λόγους κατανάλωσης και κόστους, πλεονεκτεί σε εφαρμογές ασύρματων δικτύων με αυστηρές απαιτήσεις ως προς την ακρίβεια της παραγόμενης συχνότητας και το θόρυβο φάσης. Η απλή αρχιτεκτονική integer-N δεν είναι επαρκής για την εκπλήρωση των απαιτήσεων σε μεγάλη ευκρίνεια και μικρό θόρυβο φάσης, λόγω του περιορισμένου εύρους ζώνης του βρόχου και του μεγάλου λόγου διαίρεσης Ν του διαιρέτη συχνοτήτων του βρόχου. Με την αρχιτεκτονική διπλού βρόχου χρησιμοποιούμε δυο βρόχους για να αμβλύνουμε την αντίθεση μεταξύ των παραπάνω παραγόντων, οι οποίοι καθορίζουν τη συμπεριφορά και την απόδοση του συνθέτη συχνοτήτων. Με τη χρήση διακριτών στοιχείων για την υλοποίηση των δυο βρόχων αποσκοπούμε σε καλύτερη συμπεριφορά του συστήματος ως προς το θόρυβο φάσης, καθώς και σε πιο ευέλικτο σχεδιασμό, που δίνει τη δυνατότητα μείωσης της ισχύος των ανεπιθύμητων συνιστωσών του σήματος αναφοράς στην έξοδο του συστήματος. / The purpose of this diploma thesis is the design and implementation of a dual loop frequency synthesizer, operating at frequencies ranging from 3 to 6 GHz, for wireless network applications, using UWB and HiperLAN2 standards. The frequency synthesizer’s design was based on dual loop synthesizer architecture and the use of modular components. The designed frequency synthesizer is able to function in 2 modes, by either producing signals in the frequency range of 3168 MHz - 6336 MHz with 528 MHz resolution, or signals in the frequency range of 4800 MHz - 5000 MHz with 10 MHz resolution. Although the dual loop architecture has long been replaced by the fractional-N architecture due to increased cost and power consumption, it is more suitable in wireless network applications demanding high precision in frequency synthesis and low phase noise. The integer-N architecture fails to satisfy these demands, due to the limited loop bandwidth and the large division ratio Ν of the loop’s frequency divider. The dual loop architecture uses two loops in order to alleviate the opposing demands in high frequency synthesis accuracy and low phase noise, which determine the behavior and performance of the frequency synthesizer. The use of modular components aims at better phase noise performance, as well as a more flexible design, thus resulting in a more efficient power dissipation of the spurious components of the reference signal at the synthesizer output.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τεχνικών θερμικής διαχείρισης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μελετώνται διαφορετικοί τρόποι βέλτιστης απαγωγής της θερμότητας καθώς και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασίας με την χρήση ψηφιακών κυκλωμάτων. / Subject of this diploma thesis is the research of various methods of integrated circuit thermal management. Different methods of optimal heat removal have been compared and digital temperature sensing techniques have been studied.

Στη παρούσα Διπλωματική εργασία μελετήθηκε, προσομοιώθηκε, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα εντοπισμού θέσης κινούμενου αντικειμένου στον τρισδιάστατο χώρο με την χρήση υπερήχων. Για τον εντοπισμό του αντικειμένου κατασκευάστηκε ένα σύστημα δεκτών και ένας πομπός υπερήχων, ο οποίος τοποθετείται στο κινούμενο αντικείμενο εκπέμποντας ένα σήμα χαμηλής αυτοσυσχέτισης με τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή. Επίσης αναπτύχθηκε λογισμικό με εύχρηστη διεπαφή, το οποίο χρησιμοποιώντας μοντέρνες θεωρίες ψηφιακής επεξεργασίας ηχητικών σημάτων, δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να μελετήσει τις ιδιότητες των σημάτων και να αντιληφθεί την κίνηση του πομπού σε πραγματικό χρόνο. Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να είναι μία ασύρματη πένα η οποία θα λειτουργούσε ως 3D ποντίκι υπολογιστή. Επίσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ενσωματωμένα συστήματα με σκοπό τον έλεγχο, την πλοήγηση ή ακόμα και στην επικοινωνία συνεργατικών ρομπότ. / In this Diploma Thesis was studied, simulated, designed and implemented an ultrasonic 3d positioning system of a moving object. In order to track the moving object, one base station and an ultrasonic transmitter were implemented. The latter was embedded in the object and produced a low autocorrelation ultrasonic signal by a microprocessor. Furthermore we developed software with a friendly user interface, which by using modern theories of digital signal processing, enables deep study of signal properties and the real-time monitoring of the trajectory of the moving object. Such a system could be a wireless pen used as a 3D computer mouse and it could be applied successfully in control and navigation embedded systems and even in communication of cooperative robots.