Single molecule force spectroscopy is an important technique to determine the interaction forces between biomolecules. Atomic force microscopy (AFM) is one of the tools used for this purpose. So far, AFMs usually use cantilevers as the force sensors and piezoelectrics as the actuators which may have some drawbacks in terms of speed and noise. In this research, a micromachined membrane actuator was used in two important types of experiments, namely the single molecule pulling and force-clamp based force spectroscopy. These two methods permit a more direct way of probing the forces of biomolecules, giving a detailed insight into binding potentials, and allowing the detection of discrete unbinding forces. To improve the quality of the experiments there is a need for high force resolution, high time resolution and increase in the throughput. This research focuses on using the combination of AFM and membrane based probe structures that have electrostatic actuation capability. The membrane actuators are characterized for range, dynamics, and noise to illustrate their adequacy for these experiments and to show that the complexity they introduce does not affect the noise level in the system. The control system described in this thesis utilizes the novel membrane actuator structures and integrates it into the current AFM setup. This is a very useful tool which can be implemented on any AFM without changing its mechanical architecture. To perform an experiment, all that is needed is to place the membrane actuator on the AFM stage, under the imagining head, and run the control system, which was implemented using LabVIEW. The system allows the user to maintain a precise and continuous control of the force. This was demonstrated by performing a life time experiment using biomolecules. Moreover, by slightly modifying the control scheme, the system allows us to linearize the membrane motion, which is inherently non-linear. The feasibility of using this control system for a variety of loading rate experiments are also demonstrated.

This thesis presents the development of a fault detection and diagnosis (FDD) procedure capable of capturing, isolating and identifying multiple abrupt parametric faults. The proposed method relies on parameter estimation deployed in a set membership framework. This approach presupposes the utilization of a linearly parametrizable model and the a priori knowledge of bounded noise errors and parameter perturbations. Under these assumptions, a data-hyperspace is generated at every time instant. The goal of set membership identification (SMI) is the determination of the parametric set, formed as an orthotope or ellipsoid, within which the nominal parameter vector resides and intersects with the data-hyperspace. The fault detection mechanism is activated when the normal operation of the SMI procedure is interrupted due to an empty intersection of the data-hyperspace and the estimated parametric set. At the detection instant, a resetting procedure is performed in order to compute the parameter set and the data-hyperspace that contain the varied nominal parameter vector, allowing the SMI algorithm to continue its operation. During the fault isolation, consistency tests are executed, relying on the projections of the worst case parametric sets and the ones arisen from the normal operation of SMI. A faulty component is indicated when these projections do not intersect, while the distance of their centers is used for fault identification. In case of the ellipsoidal SMI-based FDD and under the assumption of a time invariant parameter vector, a new fault detection criterion is defined based on the intersection of support orthotopes of ellipsoids. A more accurate estimation of the time instant of fault occurrence is proposed based on the application of a backward-in-time procedure starting from the fault detection instant, while the conditions under which a fault will never be detected by the orthotopic and ellipsoidal SMI based FDD are provided. This dissertation explores the efficiency of the proposed FDD methodology for capturing failure modes of two microelectromechanical systems; an electrostatic parallel-plate microactuator and a torsionally resonant atomic force microscope. From an engineering point of view, failure modes appeared in the microcomponents of the microactuator and the TR-AFM are encountered as parameter variations and are captured, isolated and identified by the proposed FDD methodology. / Σε αυτή την διατριβή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη μιας διαδικασίας Ανίχνευσης και Διάγνωσης Σφαλμάτων, η οποία είναι ικανή να εντοπίζει, απομονώνει και αναγνωρίζει πολλαπλά, απότομα παραμετρικά σφάλματα. H προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην αναγνώριση του συνόλου συμμετοχής των παραμέτρων. Ο στόχος της Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής είναι ο καθορισμός του παραμετρικού συνόλου εντός του οποίου κείται το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων, δεδομένου ότι το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων ανήκει επίσης σε έναν υπερχώρο δεδομένων. Το παραμετρικό σύνολο απεικονίζεται ως ένα ορθότοπο ή ένα ελλειψοειδές, λόγω της εύκολης μαθηματικής τους περιγραφής. Έτσι, η διαδικασία Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής αντιστοιχεί σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, το οποίο αποσκοπεί στον υπολογισμό του ορθοτόπου ή ελλειψοειδούς το οποίο περιέχει το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων και τέμνεται με τον υπερχώρο δεδομένων. Ο μηχανισμός Ανίχνευσης Σφαλμάτων ενεργοποιείται όταν διακόπτεται η φυσιολογική λειτουργία της Αναγνώρισης Συνόλου Συμμετοχής, λόγω της κενής τομής μεταξύ των εκτιμώμενου παραμετρικού συνόλου και του υπερχώρου δεδομένων. Τη χρονική στιγμή ανίχνευσης ενός σφάλματος, εφαρμόζεται μια διαδικασία επαναρύθμισης που σκοπεύει στον υπολογισμό του νέου παραμετρικού συνόλου, το οποίο περιέχει το μεταβεβλημένο ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων και τέμνεται με το υπερχώρο δεδομένων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απομόνωσης του σφάλματος, εκτελούνται τεστ συμβατότητας, τα οποία βασίζονται στις προβολές των νέων παραμετρικών συνόλων και στις προβολές των παραμετρικών συνόλων χείριστης περίπτωσης, ενώ η απόσταση των κέντρων των προβολών χρησιμοποιείται για αναγνώριση σφάλματος. Στην περίπτωση που η Ανίχνευση και Διάγνωση Σφαλμάτων πραγματοποιείται βασιζόμενη στην Αναγνώριση Συνόλου Συμμετοχής με ελλειψοειδή και θεωρώντας το ονομαστικό διάνυσμα παραμέτρων χρονικά αμετάβλητο, ορίζεται ένα νέο κριτήριο ανίχνευσης σφαλμάτων, χρησιμοποιώντας την τομή των περιβαλλόντων ορθοτόπων των ελλειψοειδών. Σε αυτή την περίπτωση, ένα σφάλμα ανιχνεύεται όταν η τομή αυτή είναι κενή. Ακόμη, προτείνεται μια πιο ακριβής εκτίμηση της χρονικής στιγμής εμφάνισης του σφάλματος, ενώ παρατίθενται οι συνθήκες υπό τις οποίες ένα σφάλμα μπορεί να μην ανιχνευθεί ποτέ με την εφαρμογή των προτεινόμενων μεθόδων. Η συγκεκριμένη διατριβή επίσης ερευνά την αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας Ανίχνευσης και Διάγνωσης Σφαλμάτων για τον εντοπισμό των τρόπων εκδήλωσης σφαλμάτων σε δύο μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (ΜΗΜΣ), έναν ηλεκτροστατικό μικροεπενεργητή παράλληλων πλακών και ένα ατομικό μικροσκόπιο συντονισμού στρέψης. Από πλευράς μηχανικής, οι τρόποι εκδήλωσης σφαλμάτων στα δομικά στοιχεία του μικροεπενεργητή ή του ατομικού μικροσκοποίου αντιμετωπίζονται ως απότομες παραμετρικές, οι οποίες εντοπίζονται και διαγιγνώσκονται από τις προτεινόμενες μεθόδους.