Dizertační práce je obecně zaměřena na problematiku mikroskopie atomárních sil (AFM), a to jak vývoje částí těchto mikroskopů, tak i jejich obecnému využití v oblasti výzkumu povrchů, ultratenkých vrstev a nanostruktur. Na Ústavu fyzikálního inženýrství jsou vyvíjena zařízení umožňující aplikovat uvedenou mikroskopickou metodu. V těchto mikroskopech jsou využívány piezoelektrické motory pro zajištění pohybu vzorku a ladicích zrcátek v optickém detekčním systému. Práce se v části věnované vývoji AFM zabývá studiem parametrů řídicích pulzů za účelem optimalizace funkce těchto komponent. Měřením vlivu tvaru pulzů a opakovací frekvence byl jejich pohyb optimalizován z hlediska stability a rychlosti posuvu. V části věnované výzkumu povrchů byly experimentálně zkoumány morfologické změny ultratenkých vrstev zlata na povrchu oxidu křemičitého za zvýšených teplot. Bylo zjištěno, že vhodná povrchová modifikace způsobuje vznik preferenčních trhlin ve vrstvě zlata. Řízeným rozdělením polykrystalické vrstvy na oddělené oblasti je možné významně ovlivnit proces tvorby ostrůvků zlata vznikajících při žíhání. S využitím metod elektronové litografie je možná příprava uspořádaných polí zlatých ostrůvků o velikostech 50 – 400 nm. Dále bylo ukázáno, že zvýšením teploty žíhání na 1000 °C dochází k postupnému zanořování ostrůvků zlata do povrchu. Tento jev je pravděpodobně způsoben přesunem oxidu křemičitého z oblasti pod zlatým ostrůvkem do těsného okolí vzniklého kráteru, kde tvoří tzv. límec. V těchto studiích vedle metody AFM byla s výhodou používána rovněž elektronová mikroskopie (SEM).

The aim of this project is detection of gass leak based on the ultrasound sensing. Work introduces ultrasound, mechanism of its propagation and attenuation. From all of the available microphones, the piezoelectric microphone was chosen. Project continues with description of the device, which can be capable of detection of the ultrasound leakage in dangerous, explosive environment. This type of device must meet requirements of SIL 2 standard and ATEX directive for zone 2. Project discusses LNA (Low Noise Amplifier), filters and detection circuits design. The device is modular what means that each module can be freely replaced. The role of these modules is to convert analog signal to digital form suitable for microcontroller HERCULES TSM57012.

In this report, a novel smart nanocantilever with self-deflection sensor using embedded piezo-resistor and self-actuation using integrated piezo-electric actuator is proposed, designed and simulated to enable highly sensitive label free biosensor and ultra-short cantilever probe for AFM applications. The smart nanocantilever comprises of a triangular Si3N4 nanocantilever (10µm long, 400nm width and 100nm thickness) connected to a multi-layer support structure (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) having n-type silicon piezo resistor (7µm long ,2µm width and 20nm thickness) embedded in the Si3N4 layer in both the support structure and nanocantilever. The nanocantilever is designed to maximize the resonance frequency and lower spring constant whereas piezoelectric actuator and piezo resistor is designed to maximize excitation and maximize change in resistance of nanocantilever respectively. The results show that the nanocantilever enhances sensitivity in static mode by factor of 36.5 while in dynamic mode by a factor of 658 for AFM application. For biosensor application, the nanocantilever enhanced the sensitivity in static and dynamic mode by factors of 5.6 and 13.8, respectively. / I denna rapport presenteras en ny, smart nano-kantilever med självdetektion via sensorer som använder inbäddade piezoresistorer, och självpådrivning via integrerade piezoelektriska pådrivare. Dessa är designade och simulerade för att möjliggöra högsensitiva titelfria biosensorer och ultrakorta kantilever-prober för AFM-applikation. Den smarta nano-kantilevern består av en triangulär Si3N4 nano-kantilever (10µm lång, 400nm bred and 100nm djup) kopplad till en stödstruktur med flera lager (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) och med en n-typ silikon piezoresistor (7µm lång ,2µm bred and 20nm djup) inbäddad i Si3N4 – lagret i både stödstrukturen och i nano-kantilevern. Denna är designad för att maximera resonansfrekvens och sänka fjädringskonstanten, medan den piezo-elektriska pådrivaren och piezo-resistorn är designade för att maximera excitering samt resistansändring för nano-kantilevern. Resultatet i denna rapport visar att nano-kantilevern förstärker känslighet i statiskt läge med en faktor på 36,5, med motsvarande faktor på 658 i dynamiskt läge för AMF- applikation. För biosenor-applikation förstärkte nano-kantilevern känsligheten i statiskt och dynamiskt läge med 5,6 och 13,8 respektive.

Micrometer-sized liquid-crystal (LC) droplets embedded in a polymer matrix may enable optical switching in the composite film through the alignment of the LC director along an external electric field. When a ferroelectric material is used as host polymer, the electric field generated by the piezoelectric effect can orient the director of the LC under an applied mechanical stress, making these materials interesting candidates for piezo-optical devices. In this work, polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) are prepared from poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) and a nematic liquid crystal (LC). The anchoring effect is studied by means of dielectric relaxation spectroscopy. Two dispersion regions are observed in the dielectric spectra of the pure P(VDF-TrFE) film. They are related to the glass transition and to a charge-carrier relaxation, respectively. In PDLC films containing 10 and 60 wt% LC, an additional, bias-field-dependent relaxation peak is found that can be attributed to the motion of LC molecules. Due to the anchoring effect of the LC molecules, this relaxation process is slowed down considerably, when compared with the related process in the pure LC. The electro-optical and piezo-optical behavior of PDLC films containing 10 and 60 wt% LCs is investigated. In addition to the refractive-index mismatch between the polymer matrix and the LC molecules, the interaction between the polymer dipoles and the LC molecules at the droplet interface influences the light-scattering behavior of the PDLC films. For the first time, it was shown that the electric field generated by the application of a mechanical stress may lead to changes in the transmittance of a PDLC film. Such a piezo-optical PDLC material may be useful e.g. in sensing and visualization applications. Compared to a non-polar matrix polymer, the polar matrix polymer exhibits a strong interaction with the LC molecules at the polymer/LC interface which affects the electro-optical effect of the PDLC films and prevents a larger increase in optical transmission. / Mikrometer-große, in eine Polymermatrix eingebettete Flüssigkristall-Tröpfchen können als elektro-optische Lichtventile fungieren, da die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Wird nun ein ferroelektrisches Polymer als Matrix verwendet, so kann das durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte und von der äußeren mechanischen Spannung abhängige elektrische Feld den Flüssigkristall ausrichten. Solche Materialien können daher als piezo-optische Lichtventile eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden PDLCs (polymer-dispersed liquid crystals) durch Einbettung von nematischen Flüssigkristallen in Poly(Vinylidenefluoride-Trifluorethylene) (P(VDF-TrFE)) erzeugt. Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkristall und Polymer wurden mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Im dielektrischen Spektrum des reinen P(VDF-TrFE) wurden zwei Dispersions-Regionen beobachtet, welche vom Glasübergang und einer Ladungsträgerrelaxation des Polymers herrühren. PDLC Folien mit unterschiedlichen Anteilen von Flüssigkristall-Tröpfchen (10 bzw. 60 Gewichtsprozente) zeigten beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zusatzliche Relaxationseffekte, welche der Bewegung der eingebetteten Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet werden konnten. Durch die Einlagerung der Flüssigkristall-Moleküle weist die Struktur eine Relaxation auf, die gegenüber vergleichbaren Prozessen im reinen Flüssigkristall deutlich verlangsamt ist. Des weiteren wurde das elektrooptische und piezo-optische Verhalten der mit 10 und 60 Gewichtsprozent Flüssigkristall geladenen Folien untersucht. Die Lichtstreuung hängt dabei ab von der Fehlanpassung der Brechungsindizes von Polymermatrix und Flüssigkristallen sowie von den Wechselwirkungen der Polymerdipole mit den Flüssigkristall-Molekülen an der Tröpfchenoberfläche. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit der PDLC-Folien durch eine externe mechanische Spannung gesteuert werden kann. Dieser Effekt macht das piezo-optische PDLC-Material für die Verwendung in Optik- und Sensoranwendungen interessant. Im Vergleich mit unpolaren Wirtspolymeren zeigen polare Wirtsmaterialien eine deutlich stärkere Wechselwirkung zwischen den Flüssigkristall-Molekülen an der Polymer/Flüssigkristall-Grenzfläche, welche den elektrooptischen Effekt beeinflusst und so die maximale transmissions änderung reduziert.

Today in the scientific and technological world, physical and artificial processes are often described by mathematical models which can be used for simulation, optimization or control. As the mathematical models get more detailed and different coupling effects are required to include, usually the dimension of these models become very large. Such large-scale systems lead to large memory requirements and computational complexity. To handle these large models efficiently in simulation, control or optimization model order reduction (MOR) is essential. The fundamental idea of model order reduction is to approximate a large-scale model by a reduced model of lower state space dimension that has the same (to the largest possible extent) input-output behavior as the original system. Recently, the system-theoretic method Balanced Truncation (BT) which was believed to be applicable only to moderately sized problems, has been adapted to really large-scale problems. Moreover, it also has been extended to so-called descriptor systems, i.e., systems whose dynamics obey differential-algebraic equations. In this thesis, a BT algorithm is developed for MOR of index-1 descriptor systems based on several papers from the literature. It is then applied to the setting of a piezo-mechanical system. The algorithm is verified by real-world data describing micro-mechanical piezo-actuators. The whole algorithm works for sparse descriptor form of the system. The piezo-mechanical original system is a second order index-1 descriptor system, where mass, damping, stiffness, input and output matrices are highly sparse. Several techniques are introduced to reduce the system into a first order index-1 descriptor system by preserving the sparsity pattern of the original models. Several numerical experiments are used to illustrate the efficiency of the algorithm.

Main purpose of the paper is to present high-response hydraulic linear drive, which is controlled with new digital piezo valve and where the new position transducer is integrated as a part of hydraulic cylinder. Hydraulic digital piezo valve with main static and dynamic characteristics as well as its functionality is presented in detail. The main static and dynamic characteristics of dygital piezo valve which influence directly on the linear drive performance are high resolution of the volume flow rate and high resposne of the valve. Beside valve characteristics the new integrated position transducer, the digital controller and control method, presented in the paper, have major impact on linear drive preformance. At the end of the paper the step response and position resolution of the hydraulic linear drive controlled with the new digital valve is compared with the results of reference hydraulic drive controlled with high response proportional valve.

This research evaluates four options to produce quality axle load data for pavement design: piezoelectric WIM sites (corrected and uncorrected data), static weigh scales, and a piezo-quartz WIM site. The evaluation applies four data quality principles: data validity, spatial coverage, temporal coverage, and data availability. While all principles are considered, the research contributes in the development and application of an integrated and sequential approach to assess data validity of the options by performing analyses to determine the precision and accuracy of axle load measurements. Within the context of Manitoba, the evaluation reveals that data produced by piezo-quartz and static weigh scales have superior validity, with piezo-quartz data offering better temporal coverage, data availability, and future geographic coverage. Ultimately, the selection of the best option for providing quality axle load data depends on the relative importance of data quality principles for producing data supporting sound pavement designs and infrastructure management decisions. / May 2017

The optical design for a dual modality endoscope based on piezo scanning fiber technology is presented including a novel technique to combine forward-viewing navigation and side viewing OCT. Potential applications include navigating body lumens such as the fallopian tube, biliary ducts and cardiovascular system. A custom cover plate provides a rotationally symmetric double reflection of the OCT beam to deviate and focus the OCT beam out the side of the endoscope for cross-sectional imaging of the tubal lumen. Considerations in the choice of the scanning fiber are explored and a new technique to increase the divergence angle of the scanning fiber to improve system performance is presented. Resolution and the necessary scanning density requirements to achieve Nyquist sampling of the full image are considered. The novel optical design lays the groundwork for a new approach integrating side-viewing OCT into multimodality endoscopes for small lumen imaging.

Ericsson har haft ett problem som påverkar deras mikrovågsradio. Detta problem handlar i grunden om mekaniska störningar som påverkar dataöverföringen mellan två radioenheter. Dessa störningar resulterar i bitfel på grund av olika orsaker. Dessa orsaker undersöks i projektet, för att i senare skede kunna förbättra precisionen av dataöverföringen. Genom att skicka signalerna med olika frekvenser på ett automatiserat och mer noggrant sätt, ökar möjligheten att testa radion i fler miljöer samtidigt möjligheten av att täcka ett så stort frekvensområde som möjligt ges. Arbetet är en blandning av elektronik, mekanik, akustik och programmering. Tanken är att den nya mätmetoden som presenteras skall vara automatisk och mjukvarustyrd. Även manuell styrning skall vara möjlig. Arbetet har bestått av forskning, marknadsskanning och kontakt med personer som är involverade inom området, detta för att hitta det bästa sättet att utveckla en ny felsökningsmetod.Med hjälp av olika testkörningar som studeras noggrant kommer förståelsen för ovan nämnda störningar att öka, vilket förhoppningsvis hjälper oss att hitta olika sätt att hantera dessa störningar i enskilda komponenter samt konstruktionen i sin helhet. Det finns flera förslag på alternativ, men genom ökad förståelse och kunskap inom området har det visat sig att det lämpligaste alternativet är att använda en shaker och en speaker som sändare och ett piezoelement som givare. Detta piezoelement tillsammans med en förstärkare mäter signalerna och övervakas med ett oscilloskop. Shakern och speakern drivs av en signalgenerator via en förstärkare. Alla dessa instrument styrs via ett styrprogram som är programmerad i LabVIEW. Styrprogrammets uppgift är att skanna över ett bestämt frekvensintervall med en konstant amplitud. Givaren mäter dessa signaler och sparar till en textfil. Denna information är viktig för att finna resonansfrekvenser och även övervaka den verkliga utsignalen som kommer fram till testobjektet.Detta arbete kommer förhoppningsvis att vara av stor betydelse för utvecklingen av nya produkter och kan bli ett användbart verktyg för andra ingenjörer inom Ericsson i framtiden. / Program: Utvecklingsingenjör

Ce travail étudie l'alimentation en énergie de systèmes électroniques communicants. Le but est de les rendre autonomes en récupérant de l'énergie provenant du milieu extérieur. En particulier, nous nous sommes attachés à explorer la piste des variations temporelles de température. Ces variations doivent être lentes (quelques degrés sur plusieurs heures) ce qui exclue bon nombre de solutions « classiques ». Pour répondre à cette problématique, nous avons développé une nouvelle approche, couplant des matériaux magnétiques et piézoélectriques. Cette hybridation permet de s'affranchir de la dépendance temporelle et de générer des pics d'énergie de plusieurs dizaines de μW lors du dépassement de certains seuils de température. Pour terminer, nous nous sommes enfin intéressés à la modélisation globale de ce phénomène sous Simulink.