In this study, stress problems occurring in low tempera -ture cofired ceramic processes are analyzed by finite element package ANSYS. Sintering stresses of sintering processes and residue stresses in cooling processes are investigated. The thermal shrinkage coefficient are used to deal with the density variation due to the shrinkage mismatch between the green tape and silver paste in the sintering processes. Deleting the elements is used to treat the situation when the element stress exceeds its fracture stress. The residue stresses due to the mismatch of the thermal expansion coefficients in cooling processes are also discussed.

A new multilayer ceramic balun with fractal curve for 802.11b/a is presented in this thesis. The fractal curve is implemented in balun design. By using the fractal geometry, the reduction in size of the proposed balun is evident and only several metal layers are used. Excellent results of amplitude balance and phase difference are obtained. In the mean time, there is a 1.3-GHz bandwidth of return loss and the design results in a good matching. The measured results of the LTCC multilayer ceramic balun with fractal curve agree well with the simulation. Satisfactory performance is also obtained. The dimension of the proposed Koch¡¦s and Minkowski_1st balun can be reduced by about 46.4% and 50%, respectively. Finally, the fractal balun is combined with fractal band pass filter and fractal antenna to become a passive module. Simulation of the module has been carried out and we find satisfactory results.

Freiburg i. Br., Univ., Diss., 2005.

Microplasmas são plasmas gerados em espaços com dimensões reduzidas, tipicamente, de dezenas a centenas de micrômetros. Apresentam como principal vantagem a possibilidade de se obter plasmas frios com densidades elevadas com baixo consumo de energia em pressões maiores do que em reatores convencionais, reduzindo sensivelmente o custo do equipamento. Um gerador de microplasma inédito foi desenvolvido neste trabalho, utilizando a tecnologia LTCC. O dispositivo é constituído por dois eletrodos paralelos de prata-paládio perfurados por centenas de microfuros, formando microcanais. O microplasma é gerado na região entre os eletrodos e é conduzido para fora do gerador através dos microcanais, constituindo um plasma remoto que pode interagir com a superfície de um material a ser processado. Os microfuros formam a estrutura de um microcatodo oco. Na fabricação, as camadas de cerâmica verde foram usinadas com uma máquina de CNC e os eletrodos foram obtidos por serigrafia. O método de pós-sinterização utilizando a cerâmica de transferência mostrou ser bastante reprodutível e produziu eletrodos totalmente planos, sem arqueamento. O gerador de microplasma foi instalado dentro de um reator RIE convencional e o microplasma foi gerado em DC e RF. A caracterização dos microplasmas de Ar, O2, N2 e He foi realizada por meio de curvas VxI, sonda dupla de Langmuir e espectroscopia de emissão óptica. Para descargas DC, em condições de baixa vazão de gás e elevada pressão, as curvas VxI mostraram três modos de descarga: catodo oco, normal e anormal. O efeito catodo oco foi evidenciado também pelos espectros de emissão óptica que mostraram raias na faixa de 300 a 450 nm, que indicam a presença de elétrons de alta energia. Essas raias foram mais fortemente evidenciadas em descargas RF. Temperaturas de elétrons elevadas, na faixa de 10 a 30 eV, foram obtidas através de medidas com a sonda dupla de Langmuir, nas condições em que o efeito catodo oco foi observado. A aplicabilidade do gerador de microplasma foi testada com foco no tratamento de superfície de polietileno e os resultados mostraram alta capacidade de redução do ângulo de contato e aumento da molhabilidade superficial, demonstrando, conseqüentemente, substancial modificação da energia de superfície do material, através desse processo a microplasma. / Microplasmas are plasmas generated in spaces with reduced dimensions, typically ranging from tens to hundreds of microns. The major advantage of a microplasma generator is the possibility of glow discharge generation with high plasma density and low power consumption at pressures higher than usually observed in conventional plasma reactors, reducing considerably the equipment cost. A novel structure of microplasma generator was developed in this work, using the LTCC technology. The device is composed of two silver-palladium parallel electrodes perforated by hundreds of microholes, constituting microchannels. The microplasma itself is formed between the electrodes and the plasma species are carried through the microchannels to reach the processing chamber, where they can interact with the samples to be treated. The presence of microholes can promote microhollow cathode effect. In the fabrication process, green tapes were micromachined by using a CNC and the electrodes were obtained by screen printing. The post-fire method using transfer tapes has demonstrated to be very reproducible and produced very flat electrodes. The microplasma generator was mounted into a conventional homemade reactive ion etching (RIE) reactor and driven by DC and RF power supply. Characterization of Ar, O2, N2 and He microplasmas was performed by means of VxI characteristics, double Langmuir probe and optical emission spectroscopy. For DC discharges, the VxI characteristics revealed three distinct regions: microhollow cathode mode, normal glow and abnormal glow, for low gas flow rate and high pressure conditions. The microhollow cathode effect was evidenced by optical emission that presented lines in wavelengths between 300 and 450 nm, indicating the presence of high energy electrons. These emission lines have shown to be more intense in RF discharges. Double Langmuir probe diagnostic showed high electron temperatures ranging from 10 and 30 eV, under the microhollow cathode effect conditions. The microplasma generator applicability was tested focusing on the surface treatment of polyethylene film. The results showed high efficiency of this process in reducing water contact angle and thus substantially increasing the polyethylene wettability, thus demonstrating effective modification of surface energy of the material. One can conclude that among other potential applications for material processing, the microplasma generator has already shown to be a reliable tool to modify the surface energy of materials.

Microplasmas são plasmas gerados em espaços com dimensões reduzidas, tipicamente, de dezenas a centenas de micrômetros. Apresentam como principal vantagem a possibilidade de se obter plasmas frios com densidades elevadas com baixo consumo de energia em pressões maiores do que em reatores convencionais, reduzindo sensivelmente o custo do equipamento. Um gerador de microplasma inédito foi desenvolvido neste trabalho, utilizando a tecnologia LTCC. O dispositivo é constituído por dois eletrodos paralelos de prata-paládio perfurados por centenas de microfuros, formando microcanais. O microplasma é gerado na região entre os eletrodos e é conduzido para fora do gerador através dos microcanais, constituindo um plasma remoto que pode interagir com a superfície de um material a ser processado. Os microfuros formam a estrutura de um microcatodo oco. Na fabricação, as camadas de cerâmica verde foram usinadas com uma máquina de CNC e os eletrodos foram obtidos por serigrafia. O método de pós-sinterização utilizando a cerâmica de transferência mostrou ser bastante reprodutível e produziu eletrodos totalmente planos, sem arqueamento. O gerador de microplasma foi instalado dentro de um reator RIE convencional e o microplasma foi gerado em DC e RF. A caracterização dos microplasmas de Ar, O2, N2 e He foi realizada por meio de curvas VxI, sonda dupla de Langmuir e espectroscopia de emissão óptica. Para descargas DC, em condições de baixa vazão de gás e elevada pressão, as curvas VxI mostraram três modos de descarga: catodo oco, normal e anormal. O efeito catodo oco foi evidenciado também pelos espectros de emissão óptica que mostraram raias na faixa de 300 a 450 nm, que indicam a presença de elétrons de alta energia. Essas raias foram mais fortemente evidenciadas em descargas RF. Temperaturas de elétrons elevadas, na faixa de 10 a 30 eV, foram obtidas através de medidas com a sonda dupla de Langmuir, nas condições em que o efeito catodo oco foi observado. A aplicabilidade do gerador de microplasma foi testada com foco no tratamento de superfície de polietileno e os resultados mostraram alta capacidade de redução do ângulo de contato e aumento da molhabilidade superficial, demonstrando, conseqüentemente, substancial modificação da energia de superfície do material, através desse processo a microplasma. / Microplasmas are plasmas generated in spaces with reduced dimensions, typically ranging from tens to hundreds of microns. The major advantage of a microplasma generator is the possibility of glow discharge generation with high plasma density and low power consumption at pressures higher than usually observed in conventional plasma reactors, reducing considerably the equipment cost. A novel structure of microplasma generator was developed in this work, using the LTCC technology. The device is composed of two silver-palladium parallel electrodes perforated by hundreds of microholes, constituting microchannels. The microplasma itself is formed between the electrodes and the plasma species are carried through the microchannels to reach the processing chamber, where they can interact with the samples to be treated. The presence of microholes can promote microhollow cathode effect. In the fabrication process, green tapes were micromachined by using a CNC and the electrodes were obtained by screen printing. The post-fire method using transfer tapes has demonstrated to be very reproducible and produced very flat electrodes. The microplasma generator was mounted into a conventional homemade reactive ion etching (RIE) reactor and driven by DC and RF power supply. Characterization of Ar, O2, N2 and He microplasmas was performed by means of VxI characteristics, double Langmuir probe and optical emission spectroscopy. For DC discharges, the VxI characteristics revealed three distinct regions: microhollow cathode mode, normal glow and abnormal glow, for low gas flow rate and high pressure conditions. The microhollow cathode effect was evidenced by optical emission that presented lines in wavelengths between 300 and 450 nm, indicating the presence of high energy electrons. These emission lines have shown to be more intense in RF discharges. Double Langmuir probe diagnostic showed high electron temperatures ranging from 10 and 30 eV, under the microhollow cathode effect conditions. The microplasma generator applicability was tested focusing on the surface treatment of polyethylene film. The results showed high efficiency of this process in reducing water contact angle and thus substantially increasing the polyethylene wettability, thus demonstrating effective modification of surface energy of the material. One can conclude that among other potential applications for material processing, the microplasma generator has already shown to be a reliable tool to modify the surface energy of materials.

Abstract The thesis is concerned with the development of gravure-offset-printing and low temperature co-fired ceramic (LTCC) technologies for the miniaturisation of electronic devices and components. The development work has been verified by several applications. Several aspects of gravure-offset-printing have to be optimised in order to make it suitable for fine-line printing and these have been addressed in the study with a focus on the printing inks and plates. Gravure-offset-printing inks were developed from commercial thick-film pastes. The effects of different ink characteristics on some properties of conductor lines, such as line width and resistivity, were studied. The dependence of the conductor lines on the quality of the engravings in the printing plates was also studied. The narrowest line widths obtained were about 30 μm with an accuracy of ±5 μm. Various LTCC compositions and processing steps involved in the production of integrated electronic devices, and the properties of several fabricated devices are discussed. The devices include inductors, band-pass filters and resistors for the 1–2 GHz frequency range. Miniaturisation has been the main focus of attention. For example, the integration of high-permittivity tapes in addition to low-permittivity tapes has made the miniaturisation of filter structures possible. Compatibility between these tapes during firing was found to be good. LTCC technology was further developed by adapting a modified LTCC-on-metal (LTCC-M) approach. A traditional way of guiding heat away from a component is to place a heat-sink under the component and utilise thermal vias and solder balls. In this study high- and low-permittivity tapes were attached directly on a heat-sink. Different heat-sink options were evaluated and the best performance was achieved with an AlN heat-sink which was deposited by screen-printing a Au layer on it. High-power chips were attached directly on the heat-sink through cavities in the LTCC tapes. This approach also restricted the shrinkage of the LTCC tapes. The fabricated test structures and components proved the viability of the approach although the compatibility between the pastes and tapes was not optimal.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

La maîtrise de la communication et de l'information est un atout primordial dans les stratégies de pouvoir, qu'elles soient militaires, politiques ou commerciales. Celui qui est capable de transmettre l'information plus vite prend l'avantage sur les autres. Tel est le moteur de la croissance et du progrès dans le domaine des télécommunications. L'omniprésence grandissante des dispositifs communicants témoigne de l'expansion exponentielle qu'a connu ce domaine depuis les premières communications sans fil. À l'époque du all-in-one, la multiplication des applications au sein d'un même appareil nécessite l'utilisation de composants toujours plus performants et petits . Au cœur de ces systèmes, les filtres ont une importance grandissante. Dans un environnement spatial, les contraintes de fiabilité et d'encombrement sont particulièrement drastiques. Le choix des matériaux est par ailleurs limité, ce qui réduit les possibilités d'innovation. Cependant, l'amélioration de la précision et de la fiabilité dans les technologies de fabrication ouvre de nouvelles perspectives d'innovation et d'amélioration des composants. Ces travaux ont ainsi été motivés par ce souci d'apporter toujours plus de performance et de fiabilité, pour un encombrement moindre en tirant profit du potentiel offert par l'association du concept SIW et de la technologie LTCC. Les résultats mettent à jour de sérieuses dispersions technologiques. Cependant, le potentiel de l'association SIW/LTCC est démontré, et les difficultés rencontrées sont surmontables. Les filtres SIW en technologie LTCC présentent donc des atouts pour s'imposer comme une alternative sérieuse aux solutions existantes.

<p>Tematika disertacije obuhvata projektovanje, izradu i karakterizaciju pasivnih induktivnih RF komponenti u PCB i LTCC tehnologiji, kao i poboljšanje njihovih performansi. Izvršena je i karakterizacijarazličitih tipova dielektričnih i feritnih&nbsp; LTCC materijala koji su korišćeni za izradu komponenti. Ukupno je projektovano i izrađeno 37 struktura, 14 induktora i 23 transformatora. Na poboljšanje karakteristika projektovanih struktura, koje se ogleda prvenstveno u povećanju induktivnosti zavojaka, uticalo se izradom projektovanih struktura na supstratima izrađenih od različitih materijala, supstratima formiranih od kombinacije materijala različitih karakteristika, redizajnom osnovnih (polaznih) geometrija struktura i optimizcijom parametara LTCC postupka izrade.</p> / <p>Topic of this theases focuses on design, fabrication and characterization of industive passive RF components in PCB and LTCC technology, as well as on improvement of their performances. Characterization of different types ofdielectric and ferrite LTCC materials that were implemented for component fabrication was also performed. In total, 37 structures were designed and fabricated, of those 14 are inductor structures and 23 are transformers. Performance improvement of designed structures that is manifested through increase of inductance value of structures windings implied fabrication of designed components on substrates formed from different materials, or from combination of two or more materials with different properties, redesign of original design and optimization of LTCC fabrication process parameters.</p>

Este trabalho apresenta a modelagem comportamental desenvolvida para diferentes componentes necessários para a construção de uma microválvula eletromagneticamente atuável, associada ao uso de uma membrana flexível. Foram desenvolvidos modelos teóricos para a descrição do fluxo de fluidos em microcanais, especialmente canais com secções transversais retangulares, utilizadas na construção da maioria dos microcanais usados em microfluídica. O modelo para descrição da deformação experimentada por uma microponte de PDMS foi desenvolvido, permitindo estimar a rigidez elástica para diversas membranas desenvolvidas neste trabalho. Além disso um modelo teórico foi desenvolvido com o intuito de estudar as forças produzidas por uma microbobina com enrolamentos em formato espiral quadrado, sobre um imã permanente de NdFeB localizado em posições genéricas em relação à bobina. Utilizando o primeiro modelamento, estudo de microcanais, foi possível estimar a resistência hidráulica oferecida por microcanais com dimensões sub-milimétricas, permitindo avaliar a relação entre pressão de entrada e vazão de saída correspondente. Foi possível verificar analiticamente que para a faixa de trabalho especificada (vazões na faixa de 0,2 a 6 mL/min utilizando pressões na faixa de 0 a 30 kPa), canais com 1 cm de comprimento e 200 ?m de altura, devem possuir a largura variando na faixa de 300 µm a 500 µm de modo a operar na faixa de interesse estabelecida neste trabalho. Utilizando um canal com 2 cm de comprimento e 300 µm, o valor da altura pode estar entre 200 µm a 400 µm, permitindo miniaturizar o dispositivo final, garantindo a faixa de operação desejada. A partir da modelagem realizada com a finalidade de descrever o comportamento da membrana de PDMS, foi possível estimar teoricamente que uma membrana com 2 cm de comprimento, 2 mm de largura e a espessura variando na faixa de 1,6 a 2 mm, exige a realização de uma força na faixa de 10,5 mN a 13 mN (faixa para a força de atuação necessária), de modo a obter a deflexão de interesse neste trabalho (250 µm). Avaliando as microbobinas com base no modelo teórico desenvolvido neste trabalho, foi possível verificar que uma bobina contendo 36 enrolamentos, espaçamento de 80 µm, a uma distância de 1 mm do centro do imã, aplicando-se 10V (considerando uma resistência total de 100 Ohm), utilizando 10 camadas sobrepostas, é possível produzir uma força sobre um imã de NdFeB de até 0,18 N nas regiões de 3 mm a 10 mm afastadas em relação ao eixo x do imã, ainda a uma altura de 1 mm em relação ao plano xOy do imã. Após a fabricação dos componentes mencionados acima, foram propostos arranjos experimentais para a caracterização das respostas associadas a cada componente separadamente. As simulações apresentaram resultados similares aos obtidos experimentalmente, conforme pode ser avaliado visualizando os erros obtidos relacionando os resultados teóricos e experimentais, especialmente para os microcanais. Dispositivos microfluídicos foram fabricados obtendo canais com as seguintes dimensões: comprimento na faixa de 1 a 4 cm, largura na faixa de 100 a 400 µm e alturas na faixa de 200 a 600 µm, correspondentes à construção de 9 dispositivos com diferentes tamanhos, em que os 6 primeiros foram submetidos às análises experimentais sob as mesmas condições, repetidamente. Foi observado que tais microcanais foram capazes de fornecer até 1,41 mL/min a 0,8 kPa. O valor de vazão está dentro da faixa de desempenho do dispositivo (0,2 a 6 mL/min) com foco em sua aplicação na realização de análises químicas, onde as pressões fornecidas podem chegar até 60 kPa, fornecendo flexibilidade na produção de propulsão dos líquidos transportados através dos canais fabricados. Em relação aos resultados obtidos utilizando o modelo teórico para descrição do comportamento fluídico em microcanais, erros menores que 5% relativos aos resultados experimentais foram obtidos, indicando a validação do modelo teórico apresentado. Foram fabricados dispositivos com características comutadoras, normalmente abertas e normalmente fechadas, dependendo do método de fixação da membrana de PDMS ao substrato cerâmico. O projeto para o desenvolvimento de um chanfro na base do substrato cerâmico, na região de contato com a membrana de PDMS, foi desenvolvido com a finalidade de melhorar a selagem do canal com a válvula no estado fechado. Observou-se que para uma pressão de 5 kPa aplicada à entrada da válvula, não houve vazamento para os dispositivos normalmente fechados, e utilizando uma força em torno de 1 N é possível atingir taxas de fluxo de líquido da ordem de 0,45 mL/min, sendo esta superior às vazões necessárias para a aplicação em foco, qual seja, a automatização de microlaboratórios autônomos. Dois processos de montagem dos componentes para confecção das microválvulas foram desenvolvidos. Um deles visou a montagem da membrana de PDMS após a sinterização do sistema microfluídico junto à microbobina, e o outro visou a fixação da membrana antes da união entre o sistema e a bobina, necessitando de uma etapa de soldagem entre estes componentes após a fabricação das membranas junto ao substrato de LTCC. Microbobinas foram fabricadas com o intuito de realizar a atuação das microválvulas, a partir da atração/repulsão relacionada a um imã permanente de NdFeB (neodímio-ferro-boro) fixado à membrana flexível em contato com o canal. As bobinas foram fabricadas utilizando dimensões da ordem de 1 cm x 1 cm x 0,2 mm, apresentando de 15 a 44 enrolamentos, com gaps variando na faixa de 80 a 150 µm e as larguras dos fios condutores presente nos enrolamentos variando na faixa de 60 a 90 µm. Os resultados experimentais preliminares realizados demonstraram que uma bobina plana (uma camada, 36 enrolamentos, gap igual a 80 ?m, seção transversal de 1 cm x 1 cm), submetida a uma diferença de potencial de 1 V, é capaz de produzir uma força de 0,02 N sobre o imã permanente (localizado no centro a uma distância (no eixo z) de 1 mm da bobina). Este valor indica que para uma tensão de 10 V, devido a relação linear entre corrente e força magnética, utilizando até 10 camadas de bobinas sobrepostas, é possível obter esforços da ordem de 1 a 2 N (considerando a espessura do LTCC), permitindo que os dispositivos microfluídicos fabricados sejam acionados. / This work presents the physical modeling and implementation developed for different components necessary for the construction of electromagnetically actuating microvalves using a flexible membrane. Theoretical models were developed for describing the flow of fluids in microchannels, especially channels with rectangular transverse sections, routinely used as microchannels microfluidics. The model for the description of the deformation experienced by a PDMS microbridge was developed, allowing to estimate the elastic stiffness for various membranes developed in this work. In addition, a theoretical model was developed to study the forces produced by a microcoil with planar windings in squared spiral format, on a permanent magnet of NdFeB. Using the microchannel modeling, it was possible to estimate the hydraulic resistance offered by microchannels with micrometric dimensions, allowing to evaluate the relationship between inlet pressure and flow rate. It was possible to verify analytically that for the working range specified (flow rates of 0.2 to 6 mL/min for pressures from 0 to 30 kPa), channels with 1 cm in length and 200 ?m height should have a width varying in the range of 300 ?m to 500 µm in order to operate in the range of interest established in this study. Concerning the PDMS membrane, it was possible to estimate theoretically that a membrane with 2 cm in length, width of 2 mm and a thickness varying in the range of 1.6 to 2 mm, requires the implementation of a force in the range of 10.5 mN to 13 mN (range for the strength of action required) to obtain full deflection (250 µm). Evaluating Furthermore, using the theoretical model developed for the microcoils, it was possible to verify that a coil containing 36 windings, spacing of 80 µm, at a distance of 1 mm from the center of the magnet, and composed of 10 overlapping layers, it is possible to produce a force on a magnet of NdFeB up to 0.18 N in the regions from 3 mm to 10 mm away from the x-axis of the magnet, even at a height of 1 mm in relation to the plane xOy of magnet. The characterization of the responses associated with each component was made separately. The simulations showed similar results to those obtained experimentally, as evidenced from the errors obtained by relating the results of theoretical and experimental studies, especially for the microchannels. Microfluidic channels were manufactured with the following dimensions: length in the range of 1 to 4 cm, width in the range of 100 to 400 µm and heights in the range of 200 to 600 µm, 9 different devices were fabricated. It was observed that such microchannels were able to provide up to 1.41 mL/min to 0.8 kPa. The value of flow rate is within the expected range (0.2 to 6 mL/min) considering their application in chemical analysis, where the pressures provided can reach up to 60 kPa. Errors smaller than 5% for hydraulic resistance were obtained, indicating the validation of the theoretical model presented. Devices for fluidic switching with normally open and normally closed operation were fabricated and characterized with PDMS membranes and LTCC layers. Particularly a chamfer on the base of the ceramic substrates was proposed , in the region of contact with the membrane of PDMS, to better sealing the channel with the valve in a closed state. It has been observed that for a pressure of 5 kPa applied at the inlet of the valve, there was no leakage for the normally closed devices, and using a force around 1 N it is possible to achieve rates of liquid flow in the order of 0.45 mL/min, this being higher than the flow required for the intended application. Two assembling processes were developed for the microfluidic switching devices, one through the assembly of the PDMS membrane after LTCC sintering with the microcoil, and the other before the union between the switching device and the microcoil, requiring a step of welding between these components after the fabrication of membranes. Microcoils were manufactured and integrated with a NdFeB permanent magnet attached to a flexible membrane in contact with the channel. The coils were manufactured using dimensions of approximately 1 cm x 1 cm x 0.2 mm, containing 15 to 44 windings, with gaps ranging from 80 to 150 µm and the widths of the conductive wires in the range from 60 to 90 µm. The preliminary experimental results demonstrated that a planar coil (one layer, 36 windings, gap equal to 80 µm, cross section of 1 cm x 1 cm), subject to a potential difference of 1 Volt, is capable of producing a force of 0.02 N on the permanent magnet (located in the center at a z distance of 1 mm of the coil). This value indicates that at a voltage of 10 V it is possible to obtain a force of approximately 1 to 2 N for a coil with 10 layers, allowing for actuation of the microvalves developed.