Spatial Light Modulators (SLMs) based on Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (MOEMS) are increasingly being used in various fields of optics and enable novel functionalities. The technology features frame rates from a few kHz to the MHz range as well as resolutions in the megapixel range. The field continues to make rapid progress, but technological advancements are always associated with high expenditure. Against this background, this dissertation addresses the question: What contribution can optical system design make to the further development of MOEMS-SLM-based modulation? A lens is a simple example of an optical system. This dissertation deals with system design based on Fourier optics in which the wave properties of light are exploited. On this basis, arrays of micromirrors can modulate light properties in a spatially resolved manner. For example, tilt-mirrors can control the intensity distribution in an image plane. In this dissertation variations of the aperture required for this are investigated. In addition to known absorbing apertures, phase filters in particular are investigated, which apply a spatially distributed delay effect to the light wave. This dissertation proposes the combination of MOEMS-SLMs with static, pixelated elements in the same system. These may be pixelated phase masks, also known as diffractive optical elements (DOEs). Analogously, pixelated polarizer arrays and absorbing photomasks exist. The combination of SLMs and static elements allows new degrees of freedom in system design. This thesis proposes new modulation systems based on MOEMS tilt-mirror SLMs. These systems use analog tilt-mirror arrays for the simultaneous modulation of intensity and phase as well as intensity and polarization. The proposed systems thus open up new possibilities for MOEMS-based spatial light modulation. Their properties are validated and investigated by numerical simulations. System properties and limitations are derived from these near and far field simulations. This dissertation shows that the modulation of different MOEMS-SLM types can be fundamentally changed by system design. Piston mirror arrays are classically used for phase modulation and tilt-mirror arrays for intensity modulation. This thesis proposes the use of subpixel phase structures. Their use approximately provides tilt-mirrors with the phase-modulating effect of piston-mirrors. In order to achieve this, a new optimization method is presented. Piston-mirror arrays are available only to a limited extent. By contrast, tilt-mirror arrays are well established. In combination with subpixel phase features, tilt-mirrors may replace piston-mirrors in some applications. These and other challenges of MOEMS-SLM technology can be adequately addressed on the basis of system design. / Räumliche Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) auf Basis von Mikro-Opto-Elektro-Mechanischen Systemen (MOEMS) finden zunehmend Anwendung in verschiedensten Teilgebieten der Optik und ermöglichen neuartige Funktionalitäten. Die Technik ermöglicht Frameraten von einigen kHz bis in den MHz-Bereich sowie Auflösungen bis in den Megapixelbereich. Der Fachbereich macht nach wie vor rasche Fortschritte, technologische Weiterentwicklungen sind aber stets mit hohem Aufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund widmet sich diese Arbeit der Frage: Welchen Beitrag kann optisches Systemdesign zur Weiterentwicklung der MOEMS-SLM-basierten Modulation leisten? Bereits eine Linse stellt ein Beispiel für ein optisches System dar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Systemdesign auf Basis der Fourier-Optik, bei der die Welleneigenschaften des Lichts genutzt werden. Auf dieser Basis können Arrays von Mikrospiegeln die flächige Verteilung von Licht einstellen. Beispielsweise können Kippspiegel die Intensitätsverteilung in einer Bildebene steuern. In dieser Dissertation werden Variationen der dafür nötigen Apertur untersucht. Neben bekannten absorbierenden Blenden werden insbesondere Phasenfilter untersucht, welche eine flächig verteilte Verzögerungswirkung auf die Lichtwelle aufbringen. Diese Dissertation schlägt die Kombination von MOEMS-SLMs mit statischen, pixelierten Elementen im selben System vor. Hierbei kann es sich um pixelierte Phasenmasken handeln, auch bekannt als diffraktive optische Elemente (DOEs). Analog existieren pixelierte Polarisatorarrays und absorbierende Fotomasken. Die Kombination von SLMs und statischen Elementen ermöglicht neue Freiheiten im Systemdesign. Diese Arbeit schlägt neue Modulationssysteme auf Basis von MOEMS-Kippspiegel-SLMs vor. Diese Systeme nutzen analoge Kippspiegelarrays für die simultane Modulation von Intensität und Phase sowie von Intensität und Polarisation. Die vorgeschlagenen Systeme eröffnen damit neue Möglichkeiten für die MOEMS-basierte Flächenlichtmodulation. Ihre Eigenschaften werden mithilfe von numerischen Simulationen validiert und untersucht. Aus diesen Nah- und Fernfeldsimulationen werden Systemeigenschaften und Limitierungen abgeleitet. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Modulation verschiedener MOEMS-SLM-Typen auf Basis des Systementwurfs fundamental verändert werden kann. Senkspiegelarrays werden klassischerweise zur Modulation der Phase eingesetzt und Kippspiegelarrays zur Modulation der Intensität. Diese Arbeit schlägt die Nutzung von Subpixel-Phasenstrukturen vor. Diese verleihen Kippspiegeln näherungsweise die phasenmodulierende Wirkung von Senkspiegeln. Um dies zu erreichen, wird ein neuartiges Optimierungsverfahren vorgestellt. Senkspiegelarrays sind nur in geringem Umfang verfügbar. Im Gegensatz dazu sind Kippspiegelarrays gut etabliert. In Kombination mit Subpixel-Phasenstrukturen könnten Kippspiegel in einigen Anwendungen Senkspiegel ersetzen. Diese und andere Herausforderungen der MOEMS-SLM-Technologie lassen sich auf der Grundlage des Systemdesigns adäquat adressieren.

Les systèmes de navigation par satellites permettent les applications de positionnement en extérieur, dont la navigation routière. Dans les environnements contraints, comme l'intérieur des bâtiments où ces signaux satellitaires sont dégradés, la continuité du service de positionnement est nécessaire. Les applications adaptées aux citoyens modernes avec leurs appareils nomades posent des contraintes fortes de mobilité, de coûts et de limitations des infrastructures existantes. Les larges possibilités de déplacements dans des environnements hétérogènes accroissent les difficultés. Un état de l'art alimenté par une décennie de travaux académiques et industriels présente un ensemble de technologies qui visent disponibilité et performance. L'accent porte ensuite sur les systèmes inertiels pédestres à bas coût, avec une première contribution permettant d'abandonner la détection de pas au profit d'une mobilité facilitée, mais reste limitée par la connaissance de la distance parcourue pendant une phase de calibration. Cette approche nouvelle est confrontée à celle classique au pied, puis éprouvée pour différents capteurs et piétons au travers d'expérimentations répétées en conditions réalistes. Une seconde contribution décline une constellation radio locale pour estimer la distance avec une infrastructure allégée à deux émetteurs. Elle s’inspire d’une conception satellitaire sur radio programmable pour faciliter sa compatibilité avec l’existant et explorer ses performances. Une surveillance du rapport signal à bruit inter-canal améliore la précision du positionnement. Le couplage de ces systèmes asynchrones et distribués est évalué en intérieur sur une plateforme automatisée / The global navigation satellite systems allow outdoor positioning applications, including car navigation. In challenging environments, such as the buildings where satellite signals are mitigated, georeferenced points of interest or navigation applications require a continuity of the positioning service. The applications adapted to modern citizens and their mobile devices raise strong constraints on mobility, costs and limitations of the existing infrastructure. The wide variety of displacements in heterogeneous environments increases the challenge. A state of the art fed by a decade of academic and industrial works presents a set of technologies that target availability and performance. The emphasis follows on the low cost pedestrian inertial systems, with a first contribution allowing to give up the step detection for the benefit of an easier mobility, but remains limited to the knowledge of the distance traveled during a calibration phase. This new approach is compared with the classical foot-mounted approach, and then benchmarked with several sensors and pedestrians through repeated experiments in real conditions. A second contribution operates a local radio constellation to estimate the distance with a minimal infrastructure with two emitters. The signals and the algorithm are based on a reproduction of satellite systems to ease the compatibility but are implemented on a programmable radio to explore the performances. A monitoring of the difference of carrier to noise ratio between the radio channels improves the distance estimation. The hybridization of these distributed, asynchronous and multi-rates inertial and radio systems is evaluated indoor on a motorized platform

Les capteurs M/NEMS résonants, grâce à leur petite taille, faible consommation, et caractère quasi-numérique (leur grandeur de sortie est une fréquence la plupart du temps), sont des outils incontournables dans les systèmes embarqués modernes, des objets connectés simples à l’industrie aérospatiale et militaire.Cependant, ils sont soumis aux dérives environnementales, et malgré la possibilité d’en diminuer l’effet par différentes techniques de conception, parfois l’association de deux capteurs en mode différentiel est nécessaire pour assurer la fiabilité de l’information en environnement difficiles. Dans cette thèse, une technique particulière de mesure différentielle est étudiée, qui consiste à synchroniser deux résonateurs, dont l’un est une référence et l’autre soumis à la grandeur physique à mesurer. Placés dans une seule boucle de rétroaction, les deux résonateurs oscillent à la même fréquence, et un désaccord entre les deux, issu de la grandeurphysique à mesurer entraine un déphasage. La mesure de ce déphasage est un moyen simple de remonter à l’information à mesurer, théoriquement insensible aux variations environnementales identiquement appliquées aux deux résonateurs. Cette technique bénéficie est également peu complexe au niveau de son implémentation, donc adapté à l’intégration à grande échelle. Après avoir étudié le cadre théorique de la synchronisation de résonateurs par verrouillage par injection, on dégage des contraintes d’implémentation, qui servent de ligne directrice dans la fabrication d’un démonstrateur. On dégage également des performances théoriques, qui sont comparées aux performances du démonstrateur. / M/NEMS resonant sensors, due to their small size, consumption and quasi-digital output (a frequency most of the time) are unavoidable tools for on-board systems, from smartphones to aeronautic technology. However, they suffer from environmental drifts, and even though the effect of these drifts can be limited by the design, it is sometimes necessary to use differential architectures to properly remove the drifts from the measurements and ensure the output reliability even in harsh environments. In this work, a special technique for differential measurement is studied, consisting in the synchronization of two resonators, one reference and one sensor. Placed in a single feedback loop, they oscillate at the same frequency and eventual phase shift when the physical quantity to be sensed is applied. This phase shift is a theoretically drift-free way to measure this physical quantity. This technique also benefits from its ease of integration, making it a good candidate for large scale integration. After studying the theoretical framework, several design guidelines are found, which are used in the fabrication of a proof of concept. The theoretical performances are found as well, and compared to the experimental ones.

La mesure de cellules biologiques constitue une étape de routine dans de nombreuses investigations en biologie. Les techniques actuelles utilisées par les biologistes sont principalement basées sur l'utilisation marqueurs optiques de coloration ou fluorescents, qui fournissent des observations moléculaires et cellulaires très précises et efficaces. Dans ce contexte, la spectroscopie diélectrique micro-ondes pour analyse cellulaire constitue une méthode nouvelle et attrayante, en raison du manque de préparation et manipulation des cellules, sans besoin d'ajout de produits chimiques, qui pourraient interférer avec d'autres constituants cellulaires. Sa compatibilité avec l'analyse de cellules uniques, potentiellement en temps réel, constitue également deux atouts importants de la technique d'analyse. Les travaux de cette thèse ont donc porté sur l'optimisation d'un biocapteur hyperfréquence microfluidique, dédié à la spectroscopie diélectrique de cellules biologiques uniques, et au développement de sa métrologie pour accéder au comportement diélectrique de cellule soumise à des stimuli chimique. Après un état de l'art sur les techniques courantes d'analyse de cellule individuelle, nous nous sommes attachés à optimiser le biocapteur hyperfréquence pour en améliorer les performances en sensibilité et en répétabilité. Ces optimisations ont porté sur le procédé de micro-fabrication, l'architecture du composant, que ce soit au niveau mécanique vis à vis de l'efficacité de blocage d'une cellule unique, mais aussi d'un point de vue électromagnétique avec une étude paramétrique. Ces études ont été validées dans un premier temps expérimentalement par la mesure de billes de polystyrène, modèle diélectrique simplifié par rapport à la complexité d'une cellule biologique, puis sur cellules individuelles vivantes dans leur milieu de culture. Le banc de caractérisation a également été optimisé afin de permettre la mesure diélectrique de cellules au cours du temps, et notamment en réaction à un stimulus d'ordre chimique. La cinétique de réaction d'une cellule unique soumise à de la saponine a été enregistrée automatiquement pour différentes cellules. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à l'analyse à l'échelle cellulaire par spectroscopie diélectrique micro-onde de processus biologiques complexes en temps réel. / The measurement of biological cells is a routine step in many biological investigations. Current techniques used by biologists are mainly based on staining or fluorescent labelings, which provide very precise and effective molecular and cellular observations. Within this context, the microwave dielectric spectroscopy for cell analysis represents a new and attractive method, due to the lack of cells preparation and manipulation, without adding chemicals that could interfere with other cellular constituents. Its compatibility with the analysis of single-cells, potentially in real-time monitoring, constitute also two major assets of the analysis technique. This PhD thesis therefore focused on the optimization of a microfluidic and microwave based biosensor, which is dedicated to the dielectric spectroscopy of individual biological cells, and the development of its metrology to assess the dielectric behavior of cells subjected to chemical stimuli. After a state of the art on the current techniques available to analyze single cells, we focused on the optimization of the microwave biosensor to improve its performances in terms of sensitivity and repeatability. These optimizations dealt with the microfabrication process, the component architecture through the investigation of single cell loading efficacy as well as an electromagnetic parametric study. These developments were validated first experimentally with the measurement of polystyrene beads, which present a simplified dielectric model compared to the complexity of a biological cell, followed then by living individual cells in their culture medium. The test bench was also optimized to allow the dielectric measurement of cells over time, and especially in response to a chemical stimulus. The reaction kinetics of a single-cell subjected to saponin was recorded automatically for different cells. This work opens the door to single-cell analysis with microwave dielectric spectroscopy of complex biological processes in real-time.

This work discusses the dynamic predictions of compliant mechanisms using the Pseudo-Rigid-Body model (PRBM). In order to improve the number of mechanisms that can be modeled, this research develops and identifies several key concepts in the behavior of beam segments where both ends are fixed to a rigid body (fixed-fixed flexible segments). A model is presented, and several examples are discussed. The dynamic behavior of several compliant segments is predicted using the PRBM and the results are compared to finite element analysis and experimental results. Details are presented as to the transient behavior of a typical uniform rectangular cross section beam. The results of this study are extended and applied to compliant planar mechanisms. It is shown by comparison with finite element analysis and experimental results that the PRBM is a good model of the physical system's dynamic behavior. The method is also demonstrated for use with compliant microelectromechanical (MEMS) systems.

Carbon nanotube templated microfabrication (CNT-M) is a term describing a grouping of processes where carbon nanotubes (CNTs) serve a structural role in the fabrication of a material or device. In its basic form, CNT-M is comprised of two steps: produce a template made from carbon nanotubes and infiltrate the porous template with an additional material. Vertically aligned carbon nanotube (VACNT) templates can be grown to heights ranging from microns to millimeters and lithographically patterned to a desired form. Deposition of an existing thin film material onto a CNT template will coat all template surfaces and can produce a near solid material with dimensions on the millimeter scale with resulting material properties coming primarily from the thin film. Progress within CNT-M falls broadly within one of two categories: control of the CNT template's properties and form, or control of infiltration and new materials.Three-dimensional CNT templates were developed to allow patterned multilayer VACNT structures. In one embodiment, VACNTs were grown below an existing, patterned and capillary-formed VACNT structure by reusing the original catalyst in combination with newly deposited catalyst to create a CNT-based microneedle array on a VACNT support. In another embodiment, VACNTs were mechanically coupled from the initial stages of growth to create a smooth, low porosity surface on which a secondary, patterned CNT forest was grown using standard film deposition and lithographic techniques.A microfabrication compatible thermal barrier was produced using CNTs as a sacrificial template for silicon oxide. The resulting thermal barrier exhibited a thermal conductivity that could be tuned across 2 orders of magnitude based on the degree to which the sacrificial template was removed. Carbon infiltrated carbon nanotubes (CI-CNTs) were produced that exhibited a Young's modulus ranging from 5GPa to 26GPa based on controlled process parameters. Porosity, centroid position, and the second moment of area was calculated from SEM images of CI-CNT structures using an automatic pore identification technique. The porosity results suprisingly show little to no porosity gradient across the width of the structure and a nearly linear increase in porosity from the top to bottom. This work advances the understanding of existing CNT-M processes and demonstrates novel techniques for producing future CNT templates.

<p>With the advent of increasingly complex radio systems at higher frequencies and the slowing of traditional CMOS process scaling with power concerns, there has been an increased focus on integration, architectural, and material innovations as a continued path forward in MEMS and logic. This work presents the first comprehensive experimental study of resonant body transistors in a commercial 14nm FinFET process, demonstrating differential radio frequency transduction as a function of transistor biasing through electrostatic, piezoresistive, and threshold voltage modulation. The impact of device design changes on unreleased resonator performance are further explored, highlighting the importance of phononic confinement in achieving an f*Q product of 8.2*10¹¹ at 11.73 GHz. Also shown are initial efforts towards the understanding of coupled oscillator architectures and a perovskite nickelate material system. Finally, development of resonators based on two-dimensional materials, whose scale is particularly attractive for high-frequency nano-mechanical resonators and acoustic devices, is discussed. Experiments towards dry transfer of tellurene flakes using geometries printed via two photon polymerization are presented along with optimization of a fabrication process for gated RF devices, presenting new opportunities for high-frequency electro-mechanical interactions in this topological material. </p>

Aus einkristallinem Silizium gefertigte Mikroscanner werden zunehmend in Anwendungen zur Bildprojektion, Entfernungssensorik, Spektroskopie und gezielten Strahlführung von Lasern eingesetzt, denn sie ermöglichen die Miniaturisierung und Massenfertigung optischer Systeme. Durch die statische Strahlpositionierung und zum linearen Rasterscannen in einem breiten Frequenzbereich von Null bis mehrere hundert Hertz eröffnen sogenannte quasi-statische Mikroscanner im Vergleich zu bisherigen resonant schwingenden Mikroscannern ein deutlich breiteres und flexibleres Anwendungsspektrum. Jedoch wird die Bewegung aufgrund der extrem geringen Dämpfung des Systems mit Eigenschwingungen überlagert. Daher ist die Steuerung und Regelung eine notwendige Voraussetzung für die hochdynamische und präzise Strahlführung mit quasi-statischen Mikroscannern. In dieser Arbeit werden verschiedene Steuerungs- und Regelungskonzepte für quasi-statische Mikroscanner mit elektrostatischem Kammantrieb entworfen und auf einem Echtzeitsystem mit optischer Rückführung experimentell verifiziert. Das nichtlineare mechatronische Modell wird vollständig parametrisiert und geeignete Trajektorien mit Ruckbegrenzung werden hergeleitet. Schließlich werden die Regelung des Mikroscanners mit einem Mikrocontroller durch die im Chip integrierte piezoresistive Positi-nssensorik validiert und ein 2D-Rasterscan realisiert. Als Ergebnis werden Folgerungen für den Systementwurf von quasi-statischen Mikroscannern abgeleitet.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste Thesen / Monocrystalline silicon microscanners are increasingly used in applications for image projection, distance sensors, spectroscopy and laser beam control, because they allow the miniaturization and mass production of optical systems. With static beam positioning and linear raster scanning abilities in a wide range of zero to several hundred hertz the so-called quasi-static microscanners offer a much broader and more flexible range of applications compared to common resonantly oscillating microscanners. However, the movement is superimposed with natural oscillations due to the extremely low system damping. Therefore, an open-loop and closed-loop control is necessary for highly dynamic and accurate beam control with quasi-static microscanners. In this thesis different concepts for open-loop and closed-loop control of quasi-static microscanners with electrostatic comb drives are designed and verified experimentally on a real-time system with optical feedback. The nonlinear mechatronic model becomes completely parameterized and suitable trajectories with jerk limitation are derived. The control of the microscanner on a microcontroller with feedback by the on-chip inte-rated piezoresistive position sensors is validated realizing a 2D raster scan. As a result, conclusions for the system design are derived for quasi-static microscanners.:Kurzfassung Abstract Inhaltsverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Anwendungsgebiete 1.2 Antriebsprinzipien für Mikroscanner 1.3 Quasi-statische Mikroscanner des Fraunhofer IPMS 1.4 Mechatronische Modellbildung 1.4.1 Elektrostatischer Elementarwandler 1.4.2 Mechanische Beschaltung 1.4.3 Impedanzrückkopplung 2 Stand der Technik und eigene Beiträge 2.1 Steuerungs- und regelungstechnische Aspekte 2.1.1 Steuerung 2.1.2 Regelung 2.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 2.3 Problemstellungen und eigene Beiträge 3 Modellbildung 3.1 Physikalische Modellbildung 3.1.1 Elektrisches Teilsystem 3.1.2 Mechanisches Teilsystem 3.1.3 Mechatronischer Wandler 3.2 Regelungstechnische Modellbildung 3.2.1 Kleinsignalmodell 3.2.2 Zustandsraummodell und Flachheit 3.3 Experimentelle Modellbildung 3.3.1 Bestimmung der Federsteifigkeit und der Dämpfung 3.3.2 Bestimmung der Kapazitätskennlinien 3.4 Schlussfolgerungen 4 Trajektorienentwurf 4.1 Anforderungen 4.1.1 FOURIER-Zerlegung von Dreieck- und Sägezahnfunktion 4.1.2 Überlagerung mit der Streckendynamik 4.2 Ruckbegrenzung 4.2.1 Stufentrajektorie 4.2.2 Dreieck- und Sägezahntrajektorien 4.3 Entwurf mit Regelreserve 4.3.1 Aktuationsbereich 4.3.2 Regelreserve 4.4 Schlussfolgerungen 5 Steuerungs- und Regelungsentwurf 5.1 Steuerung 5.1.1 Statische Steuerung 5.1.2 Vorfilter 5.1.3 Flachheitsbasierte Vorsteuerung 5.1.4 Simulationsergebnisse 5.1.5 Fazit 5.2 Vorauswahl geeigneter Regelungsalgorithmen 5.3 Lineare Regelung 5.3.1 Robuster PID-Regler 5.3.2 Gain-Scheduling-Regler 5.4 Nichtlineare Regelung 5.4.1 Flachheitsbasierte Regelung 5.4.2 Gleitzustandsregelung 5.4.3 Beobachterentwurf 5.4.4 Flachheitsbasierte Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung 5.4.5 Fazit 5.5 Repetitive Regelung 5.5.1 Dimensionierung des Stabilitätsfilters 5.5.2 Dimensionierung des Lernfilters 5.5.3 Entwurf im linearen und nichtlinearen Regelkreis 5.6 Simulative Verifikation der Regelungsalgorithmen 5.6.1 Simulationsmodell 5.6.2 Simulationsergebnisse 5.6.3 Reglerparametrierung 5.6.4 Regelfrequenzvariation 5.6.5 Variation der Modellparameter 5.6.6 Einfluss von Messrauschen 5.7 Schlussfolgerungen 6 Experimentelle Systemverifikation und Diskussion 6.1 Messaufbau mit Echtzeitsystem 6.1.1 Messaufbau 6.1.2 Echtzeitsystem 6.1.3 Auswertung des optischen Positionsdetektors 6.2 Experimentelle Ergebnisse mit Echtzeitsystem 6.2.1 Fehlerdefinition 6.2.2 Modellverifikation 6.2.3 Ergebnisse der Steuerungsverfahren 6.2.4 Ergebnisse der Regelungsverfahren 6.3 Regelung mit Mikrocontroller 6.3.1 Mikrocontroller und Treiberelektronik 6.3.2 Integrierte piezoresistive Positionssensorik 6.3.3 Regelungsergebnisse mit Mikrocontroller 6.4 Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse 7 Folgerungen für den Systementwurf 7.1 Entwurfsraum 7.1.1 Dynamische Deformation 7.1.2 Stabilitätsspannung 7.1.3 Trajektorienentwurfsraum 7.2 Einsatz der Steuerung und Regelung 7.3 Varianten der Kammanordnung 8 Zusammenfassung 8.1 Erreichte Ziele 8.2 Ausblick 8.3 Abschlussfazit Literaturverzeichnis Publikationen Anhang A Modellbildung und Simulation A.1 Elemente der strukturierten Analyse A.2 Grundlagen der Elektrostatik A.3 Ausführlicher Lagrange-Formalismus A.3.1 Q-Koordinaten A.3.2 PSI-Koordinaten A.4 Kapazitätskennlinien A.5 Impedanzrückkopplung A.6 Mikroscannerparameter A.7 Regelparameter der Simulation A.8 Stabilitätsnachweis der flachheitsbasierter Vorsteuerung mit Ausgangsstabilisierung Anhang B Experimentelle Verifikation B.1 Regelparameter der Messung B.2 Spannungs- und Winkelbeschleunigungsverläufe B.3 Ergebnisse der repetitiven Regelung mit Sägezahntrajektorie B.4 Impedanzmessung der Kammkapazitäten B.5 Geräteliste Thesen

This study focuses on the design, fabrication, and characterization of deterministically engineered, three-dimensional architectures to be used as high-performance electrodes in energy storage applications. These high-surface-area architectures are created by the robotically-assisted sequential electrodeposition of structural and sacrificial layers in an alternating fashion, followed by the removal of the sacrificial layers. The primary goal of this study is the incorporation of these highly laminated architectures into the battery electrodes to improve their power density without compromising their energy density. MEMS technologies, as well as electrochemical techniques, are utilized for the realization of these high-power electrodes with precisely controlled characteristic dimensions. Diffusion-limited models are adopted for the determination of the optimum characteristic dimensions of the electrodes, including the surface area, the thickness of the active material film, and the distance between the adjacent layers of the multilayer structure. The contribution of the resultant structures to the power performance is first demonstrated by a proof-of-concept Zn-air microbattery which is based on a multilayer Ni backbone coated with a conformal Zn film serving as the anode. This primary battery system demonstrates superior performance to its thin-film counterpart in terms of the energy density at high discharge rates. Another demonstration involves secondary battery chemistries, including Ni(OH)2 and Li-ion systems, both of which exhibit significant cycling stability and remarkable power capability by delivering more than 50% of their capacities after ultra-fast charge rates of 60 C. Areal capacities as high as 5.1 mAh cm-2 are reported. This multilayer fabrication approach is also proven successful for realizing high-performance electrochemical capacitors. Ni(OH)2-based electrochemical capacitors feature a relatively high areal capacitance of 1319 mF cm-2 and an outstanding cycling stability with a 94% capacity retention after more than 1000 cycles. The improved power performance of the electrodes is realized by the simultaneous minimization of the internal resistances encountered during the transport of the ionic and electronic species at high charge and discharge rates. The high surface area provided by the highly laminated backbone structures enables an increased number of active sites for the redox reactions. The formation of a thin and conformal active material film on this high surface area structure renders a reduced ionic diffusion and electronic conduction path length, mitigating the power-limiting effect of the active materials with low conductivities. Also, the highly conductive backbone serving as a mechanically stable and electrochemically inert current collector features minimized transport resistance for the electrons. Finally, the highly scalable nature of the multilayer structures enables the realization of high-performance electrodes for a wide range of applications from autonomous microsystems to macroscale portable electronic devices.

Dans cette recherche, on a conçu et validé un nouveau noeud sans fil qui sera intégré dans un système automatique de contrôle des structures de génie civil. Le prototype est conçu à partir des dernières technologies dans le domaine des systèmes embarqués. Le prototype utilise la technologie développée pour les réseaux sans fil personnels WPAN (Wireless Personal Area Network) pour la transmission de données vers la centrale locale d'interrogation des données. Les capacités de calcul que le prototype possède nous permettent d'implémenter et d'exécuter plusieurs algorithmes de contrôle de l'état des structures. La transformée de Fourier rapide est utilisée comme algorithme illustratif dans le noeud sans fil. L'objectif de cette recherche est de mettre en place un réseau de capteurs sans fil qui supporte le calcul collaboratif en temps réel des dominées mesurées, pour l'identification des dommages potentiels dans la structure.