The objective of this work is to enhance and advance sensing technologies with the design and development of novel radio frequency (RF) sensors based on far-field and near-field principles of the electromagnetic (EM) resonances. In the first part of this thesis, original design and development of a passive RF temperature sensor, a passive RF strain sensor, and a passive RF pressure sensor are presented. The RF temperature sensor is presented in Chapter 3. It is based on split ring resonators loaded with bimorph cantilevers. Its operating principles and equivalent circuits are discussed in Chapter 4, where the design concept is illustrated to be robust and highly adaptable to different sensing ranges, environments, and applicable to other type of sensing beyond temperatures. The passive RF strain sensor, based on a patch antenna loaded with a cantilever-integrated open loop, is presented in Chapter 5, where it is demonstrated to have the highest strain sensitivity in the same remote and passive class of sensors in the state-of-the-art. Chapter 6 describes the passive RF pressure sensor, which is based on a dual-band stacked-patch antenna that allows both identification and sensing to be embedded in its unique dual resonant responses. In the second part of this thesis, an original and first-of-its-kind RF transducer is presented that enables non-touch sensing of human fingers within 3 cm of proximity (based on one unit sensor cell). The RF transducer is based on a slotted microstrip patch coupled to a half-wavelength parallel-coupled microstrip filter operating in the frequency range of 6 – 8 GHz. The sensing mechanism is based on the EM near-field coupling between the resonator and the human finger. Fundamentally different from the electric field capacitive sensing, this new method of sensing, the first of its kind, based on near-field interference that produces a myriad of nonlinearities in the sensing response, can introduce new capabilities for the interface of electronic displays (the detection is based on pattern recognition). What set this sensor and its platform apart from previous proximity sensors and microwave sensing platforms is the low profile planar structure of the system, and its compatibility with mobile applications. The thesis provides both breadth and depth in the proposed design and development and thus presenting a complete research in its contributions to RF sensing.

This dissertation deals with a development of a laser welded common rail with a radially attached RPS sensor of pressure. The new concept required by Bosch Diesel s.r.o. Jihlava should be more modifiable and it should be easily integrated with the engine compartment. In this dissertation I suggested a number of concepts that I further analysed, verified in appropriate software, developed, and finally narrowed the selection down to the most suitable solution, which is recommended and justified in the conclusion.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

The main goal of this work is to introduce new carbon structures - carbon nanotubes. The main objective of this work is to take advantage of the unique characteristic of carbon nanotubes to emit electrons at very low supply voltage.

This master‘s thesis describes the design of a system usable for wireless measurement of the tire pressure. The goal is to make a theoretical acquintace with the wireless measurement of a tire pressure. Within the master‘s thesis was suggested device at the block level. For individual blocks have been chosen specific circuits. For the device has been selected the pressure sensor SP100-7AT, the microcontrollers Atmega8 and Atmega16 and the wireless module RFM22. The result of the work is a functional prototype of device including software for microprocessors. Final solution was tested during the experimental measurement.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die technologischen Ansätze zur Erzeugung von Mikro-Kavitäten als Grundlage zur Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte der MEMS-basierten Aktoren und Sensoren erfolgreich eingesetzt. Im Verlauf der Integration eines IR-Emitters wurde der SON-Prozess weiterentwickelt, um eine hohe und homogene Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der SON-Membran zu erreichen. Dabei wurde ein technologischer Ablauf entwickelt, welcher die genannten Randbedingungen erfüllt und darüber hinaus eine optimierte Herstellung anbietet, indem die zeitaufwändige Formierung der Kavität in einem Batch- anstatt eines RTP-Ofens erfolgt. Die Opferschichttechnik wurde bei der Integration von beiden vorgestellten Bauelementen eingesetzt und mit Rücksicht auf die einzelnen Randbedingungen angepasst. So konnte z. B. eine Kavität mit einer Höhe von 700 nm zur Abdeckung von IR-Emitter hergestellt werden, wodurch die thermische Isolation verbessert wurde. Im Konzept des druckempfindlichen Feldeffekttransistors wurde eine Opferschicht mit einer Dicke von 70 nm verwendet, um die Größe der Gate-Kapazität so anzupassen, dass der hergestellte Transistor steuerbar und druckempfindlich ist. Somit konnten die Flexibilität und das Potenzial der beiden Prozessknotenpunkte verdeutlicht werden.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einführung zum Thema 1.2 Technologien zur Herstellung von Mikro-Kavitäten für MEMS 1.2.1 Silicon-On-Nothing Technologie 1.2.2 Opferschichttechnik 2 Das neue Konzept einer breitbandigen Infrarotquelle 2.1 Grundlegende Ideen der Infrarot-Sensorik 2.1.1 Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit CO2-Gas 2.1.2 Prinzipielle Funktionsweise eines IR-Emitters 2.1.3 CMOS-kompatible Materialien und Integrationsmöglichkeiten eines IR-Emitters 2.1.4 Das neue Konzept eines Infrarot-Emitter-Systems basierend auf monokristallinem Silizium 2.2 Finite-Elemente-Methode-Simulation des IR-Emitter-Systems 2.2.1 Geometrievarianten 2.2.2 Temperaturabhängige elektrische Eigenschaften des Bauelements 2.2.3 Betrachtung der thermischen Verluste 2.2.4 Simulation der Wärmeentwicklung 3 Herstellung und Charakterisierung eines IR-Emitters 3.1 Module der CMOS-basierten 3D-Integration 3.1.1 FEOL - Front End of Line 3.1.2 BEOL - Back End of Line 3.2 Elektrische Charakterisierung des IR-Emitters 3.2.1 I(V)-Spektren 3.2.2 Optische Eigenschaften 3.2.3 Zeitabhängiges Verhalten 4 Das neue Konzept eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 4.1 Einleitung zum Konzept des Bauelements 4.1.1 Konzepte zur Herstellung von MOSFET - basierten Sensoren 4.1.2 Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise des neuen Konzepts 4.1.3 Geometrievarianten 5 Herstellung und Charakterisierung eines druckempfindlichen Feldeffekttransistors 5.1 CMOS-basierte 3D-Integration 5.1.1 Herstellung des MEMS-Elements: FEOL - Module 5.1.2 Herstellung des MEMS-Elements: BEOL - Module 5.2 Elektrische Charakterisierung des Feldeffekttransistors 5.2.1 Ausgangskennlinienfeld unter Normaldruck 5.2.2 Eingangskennlinien und deren Besonderheiten unter Normaldruck 5.3 Verhalten des Transistors bei veränderbarem Gasdruck 5.3.1 Designvariante I 5.3.2 Designvariante II 5.3.3 Designvariante III 5.3.4 Druckmessung mit Konstantstromquelle 5.4 Optimierung der Transistoreigenschaften 5.4.1 Anpassung des Gate-Dielektrikums und der Dotierung des Kanals 5.4.2 Ausgangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.3 Eingangskennlinien unter Normaldruck nach der Optimierung 5.4.4 Druckmessung nach der Optimierung 5.4.5 Bewertung der Prozessoptimierung anhand der Referenz-Strukturen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung zum IR-Emitter 6.2 Zusammenfassung zum Drucksensor Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

Currently, existing devices for extracting electrical power from ocean waves all suffer from problems with low efficiency due to a lack of information about the incoming waves in advance. The complex dynamic nonlinear characteristics of the ocean make the prediction of these incoming waves a great challenge. This paper aims to investigate a deterministic short-term wave-by-wave prediction system, that can accurately predict the wave height and timing of the incoming waves, based on measurements from a submerged pressure sensor. The complete prediction process contains three steps, namely reconstruction, assimilation, and prediction. A nonlinear Weakly Dispersive Reconstruction method (WDM) is firstly employed to accurately calculate the surface elevation from the measured pressures. Afterwards, a variational assimilation method is used to convert the time series surface elevation to a spatial wavefield, to obtain initial conditions for the prediction. Lastly, a High Order Spectral Method (HOSM) deterministically predicts the evolution of the 2D irregular wavefield based on the acquired initial conditions. To verify the performance of this proposed prediction system, tests were conducted with data from irregular sea states with varying wave parameters, generated by simulations as well as model experiments in the controlled environment of a wave tank. The results show that the surface elevation can be predicted within 5% from the reference, for a future period of about 10 seconds for wavefields commonly experienced by a wave energy converter. Based on the results, a prediction is possible, but the accuracy heavily depends on the current sea state and the chosen prediction distance.The results have been compared against similar tests made using radar data and proven to be a viable alternative for certain sea states. In conclusion, pressure measurements, as a mean to sample an ocean wavefield, is shown to be a good option when combined with nonlinear reconstruction and prediction methods to assist the power harvesting capabilities of a wave energy converter. / Nuvarande enheter för att extrahera elektrisk energi från havsvågor lider av stora problem med låg effektivitet på grund av brist på information om de inkommande vågorna. Det komplexa ickelinjära dynamiska beteendet hos havsvågor gör förutsägelsen av dem till en stor utmaning. Det här arbetet syftar till att undersöka ett deterministiskt kortsiktigt system för att förutspå våg för våg, som noggrant kan förutspå våghöjd och tidpunkt för de inkommande vågorna, baserat på mätdata från en dränkbar trycksensor. Den kompletta förutsägelseprocessen innehåller tre steg, rekonstruktion, assimilering och förutsägelse. En ickelinjär weakly dispersive reconstruction method används först för att med hög noggrannhet beräkna ythöjningen från det uppmätta trycket. Därefter, används en variational assimilation method för att konvertera en tidsserie av ythöjningen till ett rumsligt vågfält, för att erhålla initialvillkor för förutsägelsen. Slutligen används en High Order Spectral Method för att deterministiskt förutspå utvecklingen av det tvådimensionella oregelbundna vågfältet baserat på de förvärvade initialvillkoren. För att verifiera prestandan av det föreslagna förutsägelsesystemet, så genomfördes tester med data från olika oregelbundna havstillstånd med varierande parametrar, genererade av simuleringar, såväl som modellexperiment utförda i en kontrollerad miljö i form av en vågtank. Resultaten från testerna visar att ythöjningen förutspås inom 5% från referensen, för en period på 10 sekunder framåt i tiden, för vågor som ett vågkraftverk vanligtvis utsätts för. Baserat på resultatet, så är det möjligt att förutspå inkommande vågor, men noggrannheten beror kraftigt på det aktuella havstillståndet och det valda avståndet för förutsägelsen. Resultaten har jämförts mot liknande tester gjorda med radardata och visat sig vara ett genomförbart alternativ för vissa havstillstånd. Sammanfattningsvis visas det att tryckmätningar, som ett medel för att mäta ett havsvågfält, är ett bra alternativ när de kombineras med ickelinjära rekonstruktions- och förutsägelsemetoder för att hjälpa till att öka ett vågkraftverks energigenerering.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann. / In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

In my master's tehsis I'm dealin with the methods used for non-invasive blood pressure measurement. For realization of a virtual blood pressure meter in LabVEW I have chosen the oscillometric method. Algorithm determining systolic and diastolic blood pressure is based on the relatively easy detection of maximum amplitude oscillations (corresponds with a mean arterial pressure), when thelimiting valuesof blood pressure are in a specific ratio with a maximum amplitude of oscillation. In LabVIEW was solved loading of signal from the measure card and processing pressure curve into a form suitable for the detection of the peak oscillations. The program calculates the limits of arterial pressure and mean heart rate too. Linking the virtual device with the blood pressure sensor Vernier BPS-BTA then makes up komplex for capturing the blood pressure via oscillatory method.

This thesis describes the design work for the measurement of air values. The first part describes the airflow, pressure build-up in pipes and losses due to airflow losses. There is also a description of fans and explain their characteristics depending on the pressure generated by airflow. The next part describes the design of the measuring chamber, electronics and control for fully automatic measurement of air quantities.