Avec la réduction de l’énergie consommée par les capteurs miniatures, a émergé le nouveau concept de capteurs autonomes. Il s’agit de capteurs dont l’alimentation ne dépend pas d’une source embarquée de type batterie, dont la durée de vie est limitée. Ils ont en effet la capacité de puiser l’énergie nécessaire à leur fonctionnement à partir de l’environnement dans lequel ils se trouvent. Ce concept présente de nombreux avantages, notamment la diminution des coûts de maintenance des capteurs par l’absence d’une nécessité de remplacement des piles et par conséquent une facilité accrue du déploiement des réseaux de capteurs sans fil. Parmi les sources d’énergie envisageables, les vibrations mécaniques ambiantes comptent parmi les plus prometteuses puisqu’elles sont présentes dans un grand nombre de structures : véhicules, avions, bâtiments, etc. La conversion des vibrations mécaniques en énergie électrique est réalisée en deux étapes. Dans un premier temps, un résonateur mécanique, constitué d’une masse mobile associée à un ressort, est couplé avec les vibrations de l'environnement. Grâce à ce couplage, la masse oscille dans le système de référence et accumule une énergie mécanique. La deuxième étape est la conversion de cette énergie en énergie électrique. Un transducteur électromécanique est le siège d’une force d'amortissement sur la masse en résonance, et effectue donc un travail négatif sur le système mécanique. Notre choix de transducteur électromécanique s’est arrêté sur les transducteurs électrostatiques et piézoélectriques car ils présentent l'avantage d’être compatibilité avec le procédé CMOS et adaptés à la miniaturisation. Nous avons ensuite conçu et fabriqué un transducteur électrostatique utilisant une technologie silicium verre, qui a nécessité le développement d’un procédé ad hoc de gravure DRIE. Le dispositif a été testé en utilisant un circuit électronique de type pompe de charge. Nous avons obtenu une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique de 61 nW au moyen d’un dispositif dont la surface est de seulement 66 mm², la sollicitation vibratoire étant à la fréquence de résonance mécanique de la microstructure, qui est de 250 Hz et avec une accélération externe de 0,25 g ainsi qu’une tension initiale de 6V. Le résultat a été confronté avec des simulations effectuées sur la base d’un modèle VHDL-AMS. L’écart avec les mesures est inférieur à 3%. Ce dispositif est le premier convertisseur miniature d’énergie basé sur une transduction électrostatique, fabriqué dans un procédé collectif à base de silicium et sans l'adjonction d'un électret. Afin de procéder à une comparaison pertinente de notre travail avec les autres dispositifs rapportés dans la littérature et qui utilisent la transduction électrostatique, nous proposons une nouvelle figure de mérite (FOM) définie comme une puissance convertie normalisée. Bien que l’état de l’art actuel montre que notre réalisation présente l’un des meilleurs facteurs de mérite, la puissance produite n'est cependant pas suffisante pour alimenter un microsystème réel, à cause notamment d’une tension de « pull-in » trop basse. Quelques pistes d’amélioration sont proposées, notamment l’exploitation de non-linéarités mécaniques pour augmenter la bande passante du spectre énergétique exploitable par le micro-dispositif / Due to size effects, the microtechnologies that are used to manufacture micro-sensors, allowed a drastic reduction of electrical power consumption. This feature contributed to the emergence of the concept of autonomous sensors, which have the ability to take the energy needed for their operation from the environment where they are located. Among the different energy sources, our choice was made on ambient mechanical vibrations. The electromechanical conversion is done within a transducer integrated with a micromechanical structure. In this work, we have designed and fabricated an electrostatic transducer based on silicon-glass technology, which required the development of a dedicated deep etching process. The device was tested experimentally and we have obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy, corresponding to a power of 61 nW, with a device whose surface area is only 66 mm². This device is the first miniaturized silicon converter based on electrostatic transduction which does not use an electret

Cette thèse étudie expérimentalement la possibilité de récupérer l'énergie thermique en utilisant un alliage à mémoire de forme (AMF) couplé à un matériau pyro-/piézoélectrique. Cette méthode est prometteuse pour récupérer les variations lentes et petites de température. Les premiers prototypes de récupérateurs d'énergie ont été fabriqués et ont démontré pouvoir produire une énergie spécifique intéressante. Les technologies de dépôt de couches d'AMF Ti-Ni-Cu micro-structurées ont été développées. Ce travail servira de base pour la future fabrication de micro-récupérateurs d'énergie thermique exploitant des AMFs. / This thesis experimentally studies the possibility of thermal energy harvesting using coupled shape memory alloy (SMA)and pyro-/piezoelectric material. This method is promising for harvesting slow & small temperature variations. First prototypes of energy harvesters were fabricated and their ability to produce a considerable amount of specific energy was shown. Technologies of Ti-Ni-Cu SMA thin layer deposition & patterning were developed. This work will serve as a base for future fabrication of chip-scale thermal energy harvesters exploiting SMAs.

Thesis discusses the possibility of using MEMS microphones in measuring systems. Describes the characteristics of MEMS components and shows possible realization of analog to digital signal convertor when a microphone with analog output is used. Design of the amplifier is made with respect to low noise and low power consumption. Also is shown the possibility of using antialliasing filter as microphone frequency response correction at the same time.

Resonante Mikrobauelemente mit elektrostatischem Antrieb finden seit einigen Jahren vermehrt Anwendung in vielen Bereichen der Technik. So beruhen beispielsweise Drehraten- oder Beschleunigungssensoren, die im Automobilbau eingesetzt werden auf diesem Prinzip. Neue Anwendungsfelder ergeben sich vor allem für Aktoren, beispielsweise für die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel mit Out-of-plane-comb-Antrieb. Sie dienen zur geometrischen Ablenkung von Licht und können zur Realisierung von hochintegrierten Systemen zur Ausgabe (Laser-Projektor) oder Aufnahme (Laser-Imager) von Daten genutzt werden. Zum Entwurf von Mikroaktoren gibt es eine Reihe von Arbeiten, die sich meist auf ein konkretes Antriebsprinzip beziehen oder den Entwurf im Allgemeinen behandeln. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, speziell die Randbedingungen beim Entwurf resonanter Mikroaktoren mit Out-of-plane-comb-Antrieb zu identifizieren bzw. zu systematisieren sowie die gewonnenen Erkenntnisse in einem effizienten Entwurfsprozess umzusetzen. Dabei sollen möglichst auch relevante nichtlineare Effekte berücksichtigt werden, sodass sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Bauelemente und damit zur Erweiterung des Entwurfsraums ergeben.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation / Electrostatically driven microsystems are utilized in technical systems for several years. For instance, they are used in automotive applications as acceleration sensors or angular rate sensors. New fields of applications appear especially for actuators. The scanning micromirror of the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems is such an actuator. It is a micro-­optical-­electrical microsystem (MOEMS) which is driven resonantly by an electrostatic comb drive and can be used in scanning laser imaging systems or laser projectors. Several technical and scientific publications occupy with the design and the simulation of microactuators, which refer usually to a concrete drive principle or to the issues of design in general. The intention of this thesis is to identify and systematize particularly the boundary conditions of design regarding to resonant micro actuators with out-­of-­plane­comb drive. The findings are implemented in efficient design tools and design processes. One emphasis thereby is the investigation of nonlinear properties and effects. This includes geometrically non-­linearities of suspensions as well as non-linearities caused by fluid damping and the electrostatic comb drive. The findings are utilized in an analytical, nonlinear stability analysis of the device's equation of motion as well as in an object oriented software library for the MATLAB environment, which can be used to create nonlinear reduced order models of scanning micromirrors. With the developed techniques for design and optimization the available parameter range of scanning micromirrors can be extended. By that means, it is possible to improve the properties of existing devices as well as create new devices with outreaching performance.:1 Einordnung und Ziele der Arbeit 2 Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Herstellungstechnologien 2.2 MEMS-Aktoren 2.2.1 Antriebsprinzipien 2.2.2 Elektrostatische Antriebe 2.3 Der Fraunhofer IPMS Mikroscannerspiegel 2.3.1 Synchronisierte Anregung 2.3.2 Parametrische Anregung 2.3.3 Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen 2.4 Motivationen der Arbeit 3 Randbedingungen beim Entwurf 3.1 Vereinbarungen und Definitionen 3.1.1 Material- und Strukturvereinfachungen 3.1.2 Koordinatensysteme 3.1.3 Mathematische Vereinfachungen und Definitionen 3.2 Strukturmechanische Randbedingungen 3.2.1 Richtungsabhängige Materialeigenschaften 3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten 3.2.3 Strukturmechanische Spannungen 3.2.4 Eigenschwingungen 3.2.5 Fertigungstoleranzen 3.2.6 Dynamische Deformation 3.2.7 Strukturdämpfung 3.3 Fluidmechanische Randbedingungen 3.3.1 Näherungen zur Slip-Korrektur 3.3.2 Gültigkeit der quasistatischen Näherung 3.3.3 Dämpfungsmechanismen innerhalb der Kammstruktur 3.3.4 Dämpfungsmechanismen der bewegten Spiegelplatte 3.4 Randbedingungen der Elektrik bzw. Elektrostatik 3.4.1 Antriebskapazitäten und Randfelder 3.4.2 Spannungsfestigkeit 3.4.3 Leistungsaufnahme 3.4.4 Elektromechanische Stabilität 3.5 Optische Randbedingungen 4 Nichtlineare Dynamik 4.1 Stabilitätsanalyse 4.1.1 Fixpunkte und Grenzzyklen 4.1.2 Stabilität 4.1.3 Bifurkationen 4.1.4 Diskussion 4.2 Geometrische Nichtlinearitäten 4.2.1 Einfluss auf die Dynamik 4.2.2 Diskussion 4.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung 5 Werkzeuge für den Entwurf 5.1 Anforderungen an Entwurfswerkzeuge 5.1.1 Kopplung physikalischer Domänen 5.1.2 Spezielle Anforderungen an FEM-Werkzeuge 5.1.3 Ordnungsreduktion 5.1.4 Spezielle Anforderungen an Optimierungswerkzeuge 5.2 Relevante Entwurfswerkzeuge 5.2.1 MOSCITO Optimierungsumgebung 5.2.2 MATLAB-Toolbox SUGAR 5.3 Klassenbibliothek IMtk 5.3.1 Programmierparadigmen 5.3.2 Vererbungsstrategie 5.3.3 Ordnungsreduktion 5.3.4 Verifikation der Modelle 5.3.5 Gültigkeitsbedingungen 6 Entwurfsprozess 6.1 Strategie des Bauelemententwurfs 6.2 Entwurfsbeispiel 6.2.1 Anforderungen und Randbedingungen 6.2.2 Vorauslegung 6.2.3 Eigenwertanalyse 6.2.4 Statische nichtlineare Analysen 6.2.5 Deformationsanalyse 6.2.6 Statische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.2.7 Dynamische nichtlineare gekoppelte Analysen 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Listings Anlagenverzeichnis A Materialeigenschaften A.1 Einkristallines Silizium A.2 Umgebungsluft B MEMS-Prozess des Fraunhofer IPMS B.1 Prozessablaufplan AME1 B.2 Prozessabh ̈angige Materialeigenschaften C Strukturmechanische FE-Analysen C.1 FEM-Werkzeuge am Fraunhofer IPMS C.1.1 ANSYS C.1.2 COMSOL Multiphysics TM C.2 Nichtlinearitäten prismatischer Torsionsstäbe C.3 Typische Eigenformen von Mikroscannerspiegeln C.4 Mechanische Spannungen in Torsionsfedern C.5 Dynamische Deformation der Spiegelplatte C.6 Konvergenzeigenschaften von FE-Netzen D Dämpfungsmechanismen D.1 Slide-film-Dämpfung D.2 Squeeze-film-Dämpfung E Bewegungs-Dgl. des IPMS Mikroscannerspiegels E.1 Fixpunkte E.2 Stabilität E.3 Bifurkationen E.4 Phasenportraits F IMtk-Klassenbibliothek F.1 Klassenübersicht F.2 Funktionen F.3 Datenstruktur IMTK F.4 Eigenschaften und Methoden der Basisklasse imtk element F.5 Implementation F.6 Beispiele G Experimentelle Ergebnisse (Entwurfsbeispiel) G.1 Charakterisierung G.1.1 Synchronisierte Anregung G.1.2 Parametrische Anregung G.2 Dynamische Deformation

L'essor du marché des MicroSystèmes ElectroMécaniques (MEMS : MicroElectroMechanial Systems) durant les deux dernières décennies s'est accompagné d'efforts de recherche soutenus pour élargir leurs champs d'application. Employés comme capteurs gravimétriques, des microstructures vibrant à la résonance permettent une détection ultrasensible pouvant aller jusqu'à la masse d'un seul proton pour les plus ultimes d'entre elles. Les capteurs MEMS gravimétriques fonctionnalisés apparaissent alors comme une alternative sans marquage aux technologies existantes de détection d'analytes chimiques et biologiques. Leur résolution est exacerbée par la réduction en taille, et un des principaux enjeux au développement de tels capteurs miniaturisés provient de la capacité à réaliser des moyens de transduction électromécanique - actionnement et détection électriques du mouvement mécanique - robustes et intégrés. Ces travaux de thèse présentent l'étude de la transduction diélectrique appliquée à la mise en vibration de microleviers et son intégration dans le cadre d'un procédé de fabrication collective sur silicium. L'efficacité de ce moyen de transduction est fortement liée à l'épaisseur et à la permittivité de la couche diélectrique employée et tire avantageusement partie de l'utilisation de matériaux à haute permittivité (" High-K ") en films d'épaisseur nanométrique. Dans les travaux présentés, trois matériaux diélectriques ont été étudiés : le nitrure de silicium faiblement contraint, l'alumine et l'oxyde d'hafnium. Ils ont été intégrés comme couche d'actionnement sur des microleviers de silicium. Les résultats obtenus démontrent la capacité d'actionnement des microstructures en utilisant ces couches diélectriques et également la possibilité d'effectuer simultanément actionnement et détection électrique sur un seul et même transducteur. Les perspectives ouvertes par ce travail concernent l'amélioration de la qualité des films minces employés et l'exploitation de matériaux de permittivité plus élevée. Ils forment un pas de plus vers des systèmes de détection fonctionnels intégrant reconnaissance chimique et premier étage de traitement du signal. / Since two decades now, microscopic electronic devices including moving parts, called MicroElectroMechanical Systems (MEMS) have had a growing impact on industry and daily lives. Their range of application is already wide: from actuators (inkjet print heads, digital cinema projectors, etc.) to mechanical sensors (microphones, accelerometers, etc.). There is a growing research effort in the biosensing field as well. One of the main challenges for this application is to integrate a miniaturized and robust element to a vibrating beam-like structure, in order to achieve electromechanical actuation and detection, i.e. to convert an electrical signal into vibration and vice versa. In this work, we studied the integration of three dielectric materials on silicon microcantilevers, and successfully demonstrated the feasibility of simultaneous flexural actuation and detection of the structures by mean of dielectric transduction. Those results are one step forward the elaboration of mature detection systems.

This paper reports the evaluation results of the mechanical structures of MEMS (micro electro mechanical systems) sensor implemented in the integrated MEMS inertial sensor for a wide sensing range from below 0.1 G to 20 G (1 G = 9.8 m/s^2). To investigate the mechanical tolerance, a maximum target acceleration of 20G was applied to the sub-1G sensor which had the heaviest proof mass of all that sensors had. The structure stability of Ti/Au multi-layered structures was also examined by using Ti/Au micro cantilevers. The results showed that the stoppers effectively functioned to prevent the proof mass and the springs from self-destruction, and that the stability of Ti/Au structures increased with an increase in width. Those results suggest that the proposed stopper and spring structures could be promising to realize MEMS sensors.

There has been a huge surge in data traffic all over the world due to the rise of streamingmedia services and connected devices. The current demand in data traffic has alreadypushed the optical fiber in the internet architecture to the network edges and the trend isto push it as close as possible, to the CPU. Silicon photonics addresses this challenge byenabling miniaturized optical devices that use light to move huge amounts of data at veryhigh speeds with extremely low power. To further improve the data transmission capacity,one can make use of different polarizations of light. However, to take advantage ofdifferent polarizations, devices with on-chip polarization rotation capability are required.This is achieved by a tunable polarization rotator. Moreover, full control of polarizationrotation can also be utilized to realize a new class of components in integrated photonicsincluding polarization mode modulators, multiplexers, filters, as well as switches foradvanced optical signal processing, coherent communications, and sensing.This thesis introduces a novel tunable polarization rotator that uses microelectromechanicalsystems (MEMS) as its actuation principle. When voltage is applied to a MEMStunable silicon cantilever, a mechanical movement occurs, which in turn affects theoptical mode shape travelling through a waveguide, as a result of which the polarizationis rotated. In this work, a MEMS tunable polarization rotator is designed, fabricated,and characterized with a polarization extinction ratio of 10 dB, which works in 1530nm -1570nm wavelength spectrum. In addition to the MEMS tunable polarization rotator,in this thesis, a free standing polarization beam splitter of length 1.4 μm, the shortestreported to-date to our knowledge, was designed, fabricated, and characterized. Thetunable polarization rotator and beam splitter developed in this thesis have the potentialto increase the bandwidth and flexibility of current optical communication networks, andfind further applications in polarization diversity schemes for sensing. / Mängden datatrafik i världen har växt explosionsartat de senaste åren på grund av detökade antalet uppkopplade enheter samt det snabbt växande tjänsterna för strömmad media. Det stora databehovet har redan gjort det nödvändigt att använda högkapacitiva optiska länkar hela vägen till nätverkets kanter och trenden är att optisk dataöverföring används närmare och närmare själva CPU:erna i datorerna som utgör källa och slutpunkt för all data på Internet. Kiselfotonik möter denna utmaning genom att möjliggöra miniatyriserade optiska system som använder ljus för att snabbt överföra stora mängder data med liten effektförbrukning. För att öka kapaciteten ännu mer kan man använda sig av ljusets polarisation. För att göra detta måste man tillhandahålla system för att vrida polarisation på chipp-nivå vilket man kan åstadkomma med en avstämbar polarisationsvridare. Utöver en ökad kapacitet kan den nya kontrollen över polarisation även användas för att skapa nya typer av integrerade optiska komponenter som polarisationsbaserade modulatorer, multiplexers, filter, såväl som switchar för optisk signalbehandling, koherent kommunikation och avkänning.Denna avhandling presenterar en ny avstämbar polarisationsvridare som använder en mikroelektromekanisk (MEMS) aktuator. När en spänning är applicerad på en MEMS balk skapas en mekanisk rörelse som i sin tur påverkar den optiska mod-bilden som propagerar i en integrerad optisk vågledare vilket resulterar i att polarisationen vrids. Denna avhandling innehåller design, tillverkning och karakterisering av en avstämbar polarisationsvridare med en polariseringsgrad på 10 dB i våglängdsområdet 1530-1570 nm. Utöver det presenteras design, tillverkning och karakterisering av frihängande polarisationsfördelare med en längd på endast 1.4 µm, den kortaste hittills rapporterad. Dessa komponenter har potentialen att öka bandbredden och flexibilite befintligaoptiska kommunikationsnät och hitta nya tillämpningar i sensorsystem.

In the production industry, quality control is of importance. Even though today's tools provide a lot of functionality and safety to help the operators in their job, the operators still is responsible for the final quality of the parts. Today the nutrunners manufactured by Atlas Copco use their driver to detect the tightening angle. There- fore the operator can influence the tightening by turning the tool clockwise or counterclockwise during a tightening and quality cannot be assured that the bolt is tightened with a certain torque angle. The function of orientation tracking was de- sired to be evaluated for the Tensor STB angle and STB pistol tools manufactured by Atlas Copco. To be able to study the orientation of a nutrunner, practical exper- iments were introduced where an IMU sensor was fixed on a battery powered nutrunner. Sensor fusion in the form of a complementary filter was evaluated. The result states that the accelerometer could not be used to estimate the angular dis- placement of tightening due to vibration and gimbal lock and therefore a sensor fusion is not possible. The gyroscope by itself can be used to provide the angular displacement around every axis with high accuracy without taking into account the gimbal lock phenomena or external forces in the form of vibration of the tool. The gyroscope provided data with a probability to measure ±1° in future tightenings by 69,76%. The gyroscope provided data with high accuracy and stability and can be used in real world application and production for true angle functionality of the tools. / I produktionsindustrin är kvalitetskontroll av stor betydelse. Även om dagens verk- tyg innehåller mycket funktionalitet och säkerhet för att hjälpa operatörer i jobbet, är operatören fortfarande ansvarig för den slutliga kvaliteten. Idag använder Atlas Copcos skruvdragare motorns vridmoment för att göra den slutliga åtdragningen. Därav kan operatören påverka åtdragningen genom att vrida verktyget medurs el- ler moturs under en åtdragning och kvaliteten kan inte säkerställas att bulten dras med ett visst vridmoment. Funktion för rörelseavläsning var önskvärd att utvärde- ras för Tensor STB-vinkel- och STB-pistolverktygen tillverkade av Atlas Copco. För att kunna studera orienteringen hos en skruvdragare introducerades praktiska ex- periment där en IMU-sensor fixerades på en batteridriven skruvdragare. En Sen- sorfusion i form av ett komplementärt filter utvärderades. Resultaten visar att acce- lerometern inte kunde användas för att uppskatta vinkelförskjutningen av en åt- dragning på grund av vibration och gimballås och därav kan inte fusionen heller nyttjas. Gyroskopet i sig kan användas för att ge vinkelförskjutningen runt varje axel med hög noggrannhet utan att ta hänsyn till gimballåsfenomen eller yttre kraf- ter i form av vibration från verktyget. Gyroskopet gav data med en sannolikhet att mäta ± 1° i avvikelse från ett förbestämt värde i framtida åtdragningar med 69,76%. Vidare utvärdering av gyroskop och implementation av detta borde göras innan detta skulle anses kunna användas i en riktig applikation för rörelseavläsning un- der en åtdragning.

Scannende MEMS-Mikrospiegel stellen eine vielversprechende technologische Entwicklung mit potentiellen Anwendungen im Bereich der miniaturisierten Bildprojektion und Umgebungssensierung dar. Im Regelfall oszilliert das Spiegelelement hierbei resonant um die horizontale Achse, während die vertikale Achse statisch ausgelenkt wird. Somit ergibt sich ein sogenannter Raster-Scan. Während eine resonante Aktuierung in MEMS-Technologie im Frequenzbereich mehrerer kHz effizient umgesetzt werden kann, stellt die Implementierung statischer Antriebe eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Aktuierungskonzept vorgestellt, das effizientere quasi-statische Auslenkung ermöglicht. Hierfür wird der Drehimpuls, der durch die hochfrequente horizontale Schwingung erzeugt wird, durch eine weitere resonante Oszillation ähnlicher Frequenz gestört, wodurch sich ein für die quasi-statische Auslenkung nutzbares Drehmoment ergibt. Da gyroskopische Effekte ausgenutzt werden, die nicht in aktuellen auf Modalanalyse basierenden Simulationsmethoden berücksichtigt sind, werden Starrkörper- und transiente FEM-Modelle entwickelt, um die Realisierbarkeit des Antriebskonzepts simulatorisch zu verifizieren. Im Rahmen der durch den genutzten Prozess gegebenen Randbedingungen werden daraufhin Aktuierungselemente für die resonanten Achsen erarbeitet und mit diesen zwei Designvarianten eines 2D-Mikrospiegels erstellt. Nach modellbasierter Verifikation werden diese in einer MEMS-Fertigungslinie prozessiert. Mit den generierten Mustern wird dann eine vollständige experimentelle Charakterisierung unter Nutzung eines speziell erstellten FPGA-basierten Evaluations-Boards durchgeführt. Beide Design-Varianten zeigen hierbei voll funktionsfähige Sensierungs- und Aktuierungselemente. Es kann ein erfolgreicher Nachweis der Funktionsfähigkeit des neuartigen Antriebskonzepts vollbracht werden. Die dabei gezeigte 2D-Projektion erreicht Winkel von 12° x 1.8° / Scanning MEMS micromirrors are an emergent technology for compact form factor image projection and environment sensing applications. Commonly the mirror element oscillates resonantly along the horizontal axis, whereas it is deflected statically along the vertical axis, performing a so called raster scan. While resonant actuation can be implemented efficiently in MEMS, static deflection however remains challenging. In this thesis a novel actuation concept for 2D MEMS micromirrors is introduced that potentially enables efficient quasi-static actuation. Therefore the angular momentum that is generated by the high frequency resonant axis is disturbed by an orthogonal resonant oscillation of similar frequency, leading to a torque that can be utilized to achieve an indirect quasi-static deflection. As in this case gyroscopic effects are exploited that are usually not considered in state of the art modal finite element based MEMS simulation, in order to validate the feasibility of the actuation concept rigid body and transient finite element based models are developed and simulation studies conducted. Using an existing manufacturing process as a framework, actuation schemes for the resonant axes are introduced and two distinct micromirror designs are developed and verified by simulation. These are processed in a MEMS manufacturing line. A thorough characterization study is then carried out using a custom FPGA based evaluation board with closed loop control capabilities. Both design variants are functional with regard to all actuation and tilt angle detection elements. A successful implementation of the proposed actuation concept is shown achieving 2D projection of a laser beam with tilt angles of 12 ◦ × 1.8 ◦ in frequency and amplitude controlled operation.

<div>The allocated frequency bands for the incoming fifth generation (5G) wireless communication technologies spread broadly from sub 6 GHz to K and potentially W bands. The evolution of the future generations toward higher frequency bands will continue and presents significant challenges in terms of excessive system complexity, production and maintenance costs. Reconfigurable radio architecture with frequency-tunable components is one of the most feasible and cost-effective solutions to meet such challenges. Among these technologies, evanescent-mode (EVA) cavity tunable resonator have demonstrated many of the needed features such as wide tunability, low loss and high linearity. Such a technology typically employs a movable membrane that controls the resonant frequency of a post-loaded cavity. </div><div><br></div><div>The first part of this work focuses on advancing such technology into the mm-wave frequency bands and beyond. Manufacturing tolerance and tuner performance are the two main limiting factors addressed here. This work develops a cost-effective micro-fabrication and package assembly flow which addresses the manufacturing related limitations. On the other hand, introducing micro-corrugated diaphragms and gold-vanadium co-sputtered thin film deposition technology, significantly reduces (4 times) the tuning voltage and enhances tuning stability (7 times). We demonstrate a tunable two-pole band-pass filter (BPF) prototype as the first EVA cavity tunable filter operating in the K-Ka band. </div><div><br></div><div>The second part of this work extensively discusses an optimal RF design flow based on the developed manufacturing technology. It considers all technology constrains and allows the actualization of a high Q transfer function with minimum bandwidth variation within an octave tuning range. Moreover, a new fully passive input/output feeding mechanism that facilitates impedance matching over the entire tuning range is presented. The devised RF methodology is validated through the design and testing of a two-resonator BPF. Measurements demonstrate a tuning range between 20-40 GHz, relative bandwidth of 1.9%-4.7%, and impedance matching over the entire tuning range which is upto 2 times better than previously reported state-of-the-art MEMS tunable filters of this type.</div><div><br></div><div>The third part of this work further advances the technology by proposing the first MEMS-based low-power bi-directional EVA tuning approach that employs both the main bias circuitry as well as a new corrective biasing technique that counteracts viscoelastic memory effects. The two key enabling technologies are extensively discussed: a) a new metal-oxide-metal (MOM) sealed cavity that maintains high quality without requiring complicated metal bonding; and b) a new electrostatic bi-directional MEMS tuner that implements the needed frequency tuning without lowering the resonator quality factor. </div><div><br></div><div>Furthermore, we explore important design and fabrication trade-offs regarding sensitivity to non-ideal effects (residual stress, fabrication imperfections). Measurement of the new prototype bi-directional design, prove that this technology readily corrects residual post-bias displacement of 0.1 um that shifts the frequency by over 1 GHz with less than 2.5 V. It takes over 100 seconds to recover this error in the uni-directional case. This correction does not adversely affect the filter performance.</div>