Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6597.pdf: 4764954 bytes, checksum: 5414abc6292e5e2fc5ec8124840f6a6b (MD5) Previous issue date: 2015-02-20 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work, different commercial carbon materials that could be used as electrodes for capacitive deionization were investigated: carbon cloth, carbon foam, carbon felt, carbon fiber, carbon veil and activated carbon powder (AC). The materials were characterized by scanning electron microscopy (SEM), surface resistivity, wettability and cyclic voltammetry (CV). The performance in terms of electrosorption of NaCl was evaluated for different cell potentials. The AC electrode showed the best capacity of removing ions, and presented good values of charge efficiency (QE) and specific energy consumption (η) and, thusly, it was chosen to be modified using different techniques in an attempt to improve its characteristics aiming better results of electrosorption. Part of the strategies was the addition of carbon black and sodium chloride in order to improve the electrode conductivity and its macroporosity, respectively. A factorial experimental design was used to evaluate the effect of the AC mass, NA, mass of sodium chloride used in the electrode preparation and also the cell potential, on the capacity of removing ions (R), QE and η. The variables that showed the greatest effect on the CDI process was the cell potential and the AC mass (that create different thickness for the electrode). In spite of increasing the electrode conductivity, the NA did not show any improvement on the electrosorption of the electrode. Afterwards, an individual analysis showed that the use of sodium chloride to increase electrode macroporisity improved the capacity of the electrode to remove ions but just for the thickest electrode. However, it was verified that the increase of the thickness did not implied in a linear increase of the ion removal capacity. This behavior may be attributed to the non-uniform distribution of the electric field on the porous film. Thusly, even the thicker electrode showing a better capacity of removing ions, a great part of its mass was not being used for electrosorption. Additionally, the increase of the thickness led to a decrease on desorption. Those results indicate that the electrode thickness must be optimized. Another strategy to improve the electrode wettability and capacitance was the deposition of silica and alumina. It was observed an improvement on the wettability of the electrode, however those electrodes voltammograms showed an increase on the resistivity and as result, besides not presenting any improvement on the capacity of electrosorption, there was still a reduction of the ion removal kinect. Finally, the last strategy used to improve the AC electrode was the addition of the conducting polymer polypyrrole aiming to improve the electrode capacity of removing ions through the pseudo capacitance effect. The addition of polypyrrole increased the total of ions removed from solution, however, in all the cases, the values of QE and η were worse than those observed for the AC electrode. Due to the polypyrrole characteristics, the drying temperature used to prepare the electrode was reduced from 130°C to 80°C and when this temperature was reduced, it was verified that this variable had a strong effect on improving the capacity of removing ions and the energy efficiency of the AC electrode. / Neste trabalho foi realizado o estudo de diferentes materiais de carbono disponíveis comercialmente e que poderiam ser utilizados como eletrodos para deionização capacitiva. Dentre eles estão o tecido de carvão ativado, espuma de carbono, feltro de carbono, fibra de carbono, véu de carbono e pó de carvão ativado (CA). Esses materiais foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, resistividade superficial, molhabilidade e voltametria cíclica. O desempenho dos diferentes eletrodos em termos da eletrossorção de cloreto de sódio foi avaliado para diferentes potenciais de célula. O material que apresentou melhor capacidade de remoção de íons e ao mesmo tempo apresentando bons valores de eficiência de carga (QE) e consumo energético específico (η) foi o eletrodo preparado usando pó carvão ativado. Desta forma, este material foi selecionado para estudos posteriores em que diferentes estratégias de modificação deste eletrodo foram avaliadas para tentar otimizar suas características visando melhores resultados de eletrossorção. Dentre essas estratégias, adicionou-se negro de acetileno e cloreto de sódio na preparação do eletrodo visando melhorar sua condutividade e aumentar sua macroporosidade, respectivamente. Um planejamento fatorial de experimentos foi utilizado a fim de verificar o efeito da massa de CA, negro de acetileno e cloreto de sódio usadas na preparação do eletrodo e também do potencial de célula sobre as variáveis dependentes remoção total de íons (R), QE e η. Observou-se nesta etapa que as variáveis que tiveram o maior efeito no processo de deionização capacitiva foram o potencial de célula e a massa do eletrodo (que por sua vez determina a sua espessura). Constatou-se que a adição de negro de acetileno ao eletrodo, apesar de aumentar a condutividade (como já era esperado), causava uma diminuição da área superficial específica através do entupimento de poros e como consequência, não verificou-se melhoria da eletrossorção, algo que seria esperado pela melhoria da condutividade do eletrodo. Posteriormente, foi realizada uma análise individual do efeito da macroporosidade e da espessura de eletrodo. Os resultados mostraram que o aumento da macroporosidade decorrente do uso de NaCl durante a preparação do eletrodo levou a um aumento da capacidade de eletrossorção somente para o eletrodo mais espesso, porém, na análise da influência do aumento da espessura do eletrodo, verificou-se que não houve um aumento linear na quantidade de íons removidos da solução em função do aumento da espessura, o que pode ser atribuído à nãouniformidade do campo elétrico no filme poroso. Desta forma, apesar do filme mais espesso ter capacidade de remover mais íons, uma grande parte da massa de CA utilizada estava inativa. Adicionalmente, o aumento da espessura levou a uma diminuição da cinética de dessorção. Estes resultados indicam que a espessura do eletrodo deve ser otimizada. Uma outra estratégia analisada para tentar melhorar a molhabilidade e a capacidade de eletrossorção do eletrodo de CA foi a deposição de sílica e alumina. Observouse que houve realmente uma melhoria da molhabilidade, mas por outro lado, os voltamogramas destes eletrodos mostraram um aumento de sua resistividade e como consequência, além de não se verificar uma melhoria na capacidade de eletrossorção, houve ainda uma piora da cinética do processo. Finalmente, a última estratégia utilizada para melhorar o eletrodo de CA foi a adição do polímero condutor polipirrol visando melhorar sua capacidade de remoção de íons através da introdução de pseudocapacitância. A adição de polipirrol causou um leve aumento no total de íons removidos da solução, porém, em todos os casos, os valores de QE e η foram piores do aqueles observados para o eletrodo de CA. Devido às característicos do polipirrol, a temperatura de secagem do eletrodo teve que ser reduzida de 130°C para 80°C e quando se reduziu esta temperatura verificou-se que esta variável desempenhava um papel importante na melhoria da capacidade de remoção de íons e da eficiência energética do eletrodo de CA.

Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica nas últimas décadas, alguns aspectos ainda carecem de progressos, especialmente frente à crescente necessidade de aumento da qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores. Um destes aspectos diz respeito à consideração da capacitância das linhas de distribuição, efeito nunca dantes considerado para este fim pelas metodologias baseadas em impedância aparente. Assim sendo, o presente trabalho apresenta novos desenvolvimentos relativos à consideração do efeito capacitivo para as metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. O principal desenvolvimento apresentado é um novo equacionamento para fins de localização de faltas, que torna necessária a apresentação de outro desenvolvimento, o de um algoritmo de localização de faltas que considere a capacitância da linha. As novas equações são apresentadas para todos os tipos de faltas e constituem-se de equações polinomiais de segunda ordem em relação ao local da falta. De forma a entender a resposta destas equações frente a diferentes casos de faltas e determinar qual a solução fisicamente correta destas equações, as mesmas são analisadas sob três pontos de vista, a saber, matemático, físico, e numérico. Inicialmente estas equações são analisadas de forma analítica considerandose faltas em um mesmo local, mas com resistências diferentes. Posteriormente a mesma análise é realizada numericamente através de simulações computacionais. Os desenvolvimentos propostos são também submetidos a testes de faltas, simuladas computacionalmente em um sistema sem laterais ou cargas intermediárias. Os resultados obtidos são comparados frente a resultados obtidos também para outras metodologias que constituem atualmente o estado da arte em localização de faltas fundamentada na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. Através destes resultados é possível mostrar a grande influência que o efeito capacitivo possui nestas metodologias, mesmo em sistemas aéreos de distribuição, e elucidar as grandes melhorias obtidas através dos desenvolvimentos propostos. / Despite the increasing development of impedance-based fault location techniques for electric power distribution systems in the last decades, some aspects still require to progress, especially with the increasing necessity of power quality enhancement. One of these aspects regards to the distribution line shunt admittance consideration, effect that has never been considered before by the impedance-based fault location methods for power distribution systems. In this way, this work presents further improvements regarding the capacitive effect consideration for impedance-based fault location methods for power distribution systems. The main improvement presented is the development of new fault location equations, which yield the necessity of another improvement, a modified fault location algorithm that also considers the line shunt admittance. The new equations are presented for all fault types and are constituted by second-order polynomials in relation to the fault location. In order to understand the response from these equations regarding different fault situations and determine which solution is the physically feasible one, these equations are analyzed from three different points of view, i.e., mathematical, physical, and numerical. First, the developed equations are analytically analyzed considering faults in one location with different fault resistances. After, the same analysis is numerically carried out through computational simulations. The performance of the proposed improvements are also evaluated through computational simulations of faults in a power distribution system without laterals or intermediate loads. The obtained results are compared with results from the current state-of-the-art impedance-based fault location methodologies for power distribution systems. Through these results it is possible to show the great effect that the line shunt admittance, even in aerial distribution systems, has on the existing fault location methodologies and also the great improvements brought by the proposed developments.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um traçador de curvas I-V para aplicação em arranjos fotovoltaicos a serem medidos em campo. Este sistema utiliza a carga capacitiva como método de polarização do gerador fotovoltaico sendo o chaveamento realizado por transistores bipolares de porta isolada (IGBT). Para controle do chaveamento dos IGBTs e aquisição dos pontos I-V, a placa Arduino foi aplicada demostrando-se adequada para a proposta. Para tanto foi escrito, em uma variação da linguagem de programação C++, o programa de controle desta placa. Foram construídos circuitos auxiliares de amplificação de sinal para realizar as medidas de corrente e de irradiância, sendo nestes casos, usados como sensores um resistor shunt e uma célula de referência calibrada, respectivamente. Para medida da temperatura foi aplicado o sensor de temperatura LM35 que apresentou resultados satisfatórios. Os dados adquiridos pela placa Arduino são salvos em um cartão de memória para posterior análise. A análise de incertezas foi realizada usando métodos estatísticos, onde foram determinados os erros sistemáticos e aleatórios para cada canal de medição. O protótipo construído foi aplicado no levantamento da curva I-V de um gerador fotovoltaico composto de uma série de 3 módulos instalada no terraço do prédio que abriga o simulador solar do Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LABSOL) e o seu resultado foi comparado com o sistema traçador de curvas do laboratório. O resultado, de maneira geral, foi satisfatório quando comparado com a medida a 2 fios pelo sistema do LABSOL, mas apresentou um erro maior quando comparado à medida a 4 fios. Este protótipo também foi submetido a um teste para avaliar sua capacidade de apresentar a curva I-V de forma adequada quando são provocados defeitos na série de módulos. O resultado apresentado pelo protótipo se mostrou bastante semelhante ao do apresentado pelo sistema do LABSOL. De maneira geral, pode-se afirmar que o protótipo, baseado em seus resultados, mostrou-se adequado para aplicação em medidas em campo de curvas I-V de arranjos fotovoltaicos. / This work presents the development of an IV tracer for in field measurement of PV arrays. This system uses a capacitive load as a method for polarizing the photovoltaic generator, with the switching being performed by insulated gate bipolar transistors (IGBT). To control switching of the IGBTs and acquisition of the IV curve, an Arduino board was applied, and was proved to be adequate for this purpose. The Arduino board control program was written in a variation of C++ language. Auxiliary circuits for amplifying the signal were built to measure electric current and irradiance, being in such cases used as sensors a shunt resistor and a calibrated reference solar cell, respectively. For obtaining the temperature, the LM35 temperature sensor was employed, presenting satisfactory results. The data acquired by the Arduino board are saved on a memory stick for later analysis. The uncertainty analysis was performed by using statistical methods, in which the systematic and random errors for each measurement channel were determined. The assembled prototype was applied for measuring the IV curve of a photovoltaic generator composed of a string of 3 modules located on the roof of one of the buildings from Solar Energy Laboratory of the Federal University of Rio Grande do Sul (LABSOL) and its result was compared with the IV tracer used on the laboratory. The result was, generally, satisfactory when compared with the two-wire measurement by the laboratory’s system, but showed a larger error when compared with the four-wire measurement. This prototype was also submitted to a test to evaluate its capacity of adequately presenting the IV curve when defects are induced on the string. The result presented by the prototype was quite similar to that obtained from LABSOL’s system. In general, it is possible to affirm that the prototype, based on its results, proved to be adequate for in field measurement of photovoltaic arrays.

Este trabalho teve por objetivo desenvolver um sistema de controle em malha fechada em sistema de irrigaÃÃo localizada, visando controlar o processo de irrigaÃÃo. O sistema foi implantado no PerÃmetro Irrigado do Baixo AcaraÃ, em uma Ãrea de 1,0 ha, cultivada com melancia, dividida em quatro subÃreas, onde foram instalados trÃs sensores capacitivos de umidade em trÃs profundidades (0,15m, 0,30m e 0,45m), sendo o sensor de 0,15m conectado a um controlador lÃgico programÃvel (CLP), responsÃvel pelo acionamento das vÃlvulas e pela aceleraÃÃo/desaceleraÃÃo do inversor de frequÃncia, de acordo com o nÃmero de vÃlvulas acionadas simultaneamente. Os sensores nas demais profundidades foram utilizados para monitorar a umidade do solo ao longo do perfil. A partir das leituras dos sensores capacitivos convertidas em umidades em base de volume e atravÃs de uma equaÃÃo de calibraÃÃo, definiu-se o parÃmetro inicial de capacidade de campo do solo (CC), em 20%, como o set point (target) de controle. Os tratamentos foram 820, 795 e 795 Hz, para as estaÃÃes E1, E2 e E4, respectivamente, para o acionamento da motobomba e 732, 714 e 751 Hz para desligar o sistema. Na segunda etapa os parÃmetros de controle foram 784 e 795 Hz para as estaÃÃes E1 e E2, respectivamente, para acionamento da motobomba e 751 e 762 Hz para desligar o sistema. Verificou-se que o sistema apresentou desempenho satisfatÃrio, mantendo a umidade do solo nos nÃveis com elevada frequÃncia de irrigaÃÃo. / This work aims to develop a closed loop control system in a drip irrigation system, aimimg to control irrigation process. The system was deployed in ​​Low Acaraà Irrigation District (DIBAU) in an area of 1.0 ha, planted with watermelon, divided into four sub0areas, with three capacitive sensors for soil moisture installed at three depths (0.15 m, 0.30 m and 0 were installed , 45m.The sensor was 0.15 m connected to a programmable logic controller (PLC), for driving the valves and the acceleration / deceleration the motor by a frequency converter according to the number of actuated valves simultaneously. The sensors other depths were used to monitor soil moisture along the profile. Using predefined calibration equations, the readings of the capacitive sensors in Hertz were convertd to volume based soil moisture and following initial parameters defined: field capacity soil (CC), at 20%, as the set point (target) of control,conrolling treatments of 820, 795, and 795 Hz, for plots E1, E2 and E4, respectively, to activate the pump, and 732, 714, and 751 Hz to turn the pump off. In a second stage, control parameters were 784 and 795 Hz for stations E1 and E2, respectively, to activate the pÃmp and 751 Hz and 762 to turn off the system. The control systems sucessfully controlled soil moisture, maintaining soil moisture at derired levels with a high frequency of irrigation. From the readings of capacitive sensors converted into moisture on a volume basis and through a calibration equation, we defined the initial parameter of soil to drive the pump and 751 and 762 Hz to shutdown. It was found that the system showed satisfactory performance, maintaining soil moisture levels at high frequency irrigation.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um traçador de curvas I-V para aplicação em arranjos fotovoltaicos a serem medidos em campo. Este sistema utiliza a carga capacitiva como método de polarização do gerador fotovoltaico sendo o chaveamento realizado por transistores bipolares de porta isolada (IGBT). Para controle do chaveamento dos IGBTs e aquisição dos pontos I-V, a placa Arduino foi aplicada demostrando-se adequada para a proposta. Para tanto foi escrito, em uma variação da linguagem de programação C++, o programa de controle desta placa. Foram construídos circuitos auxiliares de amplificação de sinal para realizar as medidas de corrente e de irradiância, sendo nestes casos, usados como sensores um resistor shunt e uma célula de referência calibrada, respectivamente. Para medida da temperatura foi aplicado o sensor de temperatura LM35 que apresentou resultados satisfatórios. Os dados adquiridos pela placa Arduino são salvos em um cartão de memória para posterior análise. A análise de incertezas foi realizada usando métodos estatísticos, onde foram determinados os erros sistemáticos e aleatórios para cada canal de medição. O protótipo construído foi aplicado no levantamento da curva I-V de um gerador fotovoltaico composto de uma série de 3 módulos instalada no terraço do prédio que abriga o simulador solar do Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LABSOL) e o seu resultado foi comparado com o sistema traçador de curvas do laboratório. O resultado, de maneira geral, foi satisfatório quando comparado com a medida a 2 fios pelo sistema do LABSOL, mas apresentou um erro maior quando comparado à medida a 4 fios. Este protótipo também foi submetido a um teste para avaliar sua capacidade de apresentar a curva I-V de forma adequada quando são provocados defeitos na série de módulos. O resultado apresentado pelo protótipo se mostrou bastante semelhante ao do apresentado pelo sistema do LABSOL. De maneira geral, pode-se afirmar que o protótipo, baseado em seus resultados, mostrou-se adequado para aplicação em medidas em campo de curvas I-V de arranjos fotovoltaicos. / This work presents the development of an IV tracer for in field measurement of PV arrays. This system uses a capacitive load as a method for polarizing the photovoltaic generator, with the switching being performed by insulated gate bipolar transistors (IGBT). To control switching of the IGBTs and acquisition of the IV curve, an Arduino board was applied, and was proved to be adequate for this purpose. The Arduino board control program was written in a variation of C++ language. Auxiliary circuits for amplifying the signal were built to measure electric current and irradiance, being in such cases used as sensors a shunt resistor and a calibrated reference solar cell, respectively. For obtaining the temperature, the LM35 temperature sensor was employed, presenting satisfactory results. The data acquired by the Arduino board are saved on a memory stick for later analysis. The uncertainty analysis was performed by using statistical methods, in which the systematic and random errors for each measurement channel were determined. The assembled prototype was applied for measuring the IV curve of a photovoltaic generator composed of a string of 3 modules located on the roof of one of the buildings from Solar Energy Laboratory of the Federal University of Rio Grande do Sul (LABSOL) and its result was compared with the IV tracer used on the laboratory. The result was, generally, satisfactory when compared with the two-wire measurement by the laboratory’s system, but showed a larger error when compared with the four-wire measurement. This prototype was also submitted to a test to evaluate its capacity of adequately presenting the IV curve when defects are induced on the string. The result presented by the prototype was quite similar to that obtained from LABSOL’s system. In general, it is possible to affirm that the prototype, based on its results, proved to be adequate for in field measurement of photovoltaic arrays.

Apesar do crescente desenvolvimento das metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica nas últimas décadas, alguns aspectos ainda carecem de progressos, especialmente frente à crescente necessidade de aumento da qualidade da energia elétrica entregue aos consumidores. Um destes aspectos diz respeito à consideração da capacitância das linhas de distribuição, efeito nunca dantes considerado para este fim pelas metodologias baseadas em impedância aparente. Assim sendo, o presente trabalho apresenta novos desenvolvimentos relativos à consideração do efeito capacitivo para as metodologias de localização de faltas fundamentadas na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. O principal desenvolvimento apresentado é um novo equacionamento para fins de localização de faltas, que torna necessária a apresentação de outro desenvolvimento, o de um algoritmo de localização de faltas que considere a capacitância da linha. As novas equações são apresentadas para todos os tipos de faltas e constituem-se de equações polinomiais de segunda ordem em relação ao local da falta. De forma a entender a resposta destas equações frente a diferentes casos de faltas e determinar qual a solução fisicamente correta destas equações, as mesmas são analisadas sob três pontos de vista, a saber, matemático, físico, e numérico. Inicialmente estas equações são analisadas de forma analítica considerandose faltas em um mesmo local, mas com resistências diferentes. Posteriormente a mesma análise é realizada numericamente através de simulações computacionais. Os desenvolvimentos propostos são também submetidos a testes de faltas, simuladas computacionalmente em um sistema sem laterais ou cargas intermediárias. Os resultados obtidos são comparados frente a resultados obtidos também para outras metodologias que constituem atualmente o estado da arte em localização de faltas fundamentada na impedância para sistemas de distribuição de energia elétrica. Através destes resultados é possível mostrar a grande influência que o efeito capacitivo possui nestas metodologias, mesmo em sistemas aéreos de distribuição, e elucidar as grandes melhorias obtidas através dos desenvolvimentos propostos. / Despite the increasing development of impedance-based fault location techniques for electric power distribution systems in the last decades, some aspects still require to progress, especially with the increasing necessity of power quality enhancement. One of these aspects regards to the distribution line shunt admittance consideration, effect that has never been considered before by the impedance-based fault location methods for power distribution systems. In this way, this work presents further improvements regarding the capacitive effect consideration for impedance-based fault location methods for power distribution systems. The main improvement presented is the development of new fault location equations, which yield the necessity of another improvement, a modified fault location algorithm that also considers the line shunt admittance. The new equations are presented for all fault types and are constituted by second-order polynomials in relation to the fault location. In order to understand the response from these equations regarding different fault situations and determine which solution is the physically feasible one, these equations are analyzed from three different points of view, i.e., mathematical, physical, and numerical. First, the developed equations are analytically analyzed considering faults in one location with different fault resistances. After, the same analysis is numerically carried out through computational simulations. The performance of the proposed improvements are also evaluated through computational simulations of faults in a power distribution system without laterals or intermediate loads. The obtained results are compared with results from the current state-of-the-art impedance-based fault location methodologies for power distribution systems. Through these results it is possible to show the great effect that the line shunt admittance, even in aerial distribution systems, has on the existing fault location methodologies and also the great improvements brought by the proposed developments.

Sensing devices developed upon resonant microelectromechanical and nanoelectromechanical (M/NEMS) system technology have become one of the most attractive areas of research over the past decade. These devices make exceptional sensing platforms because of their miniscule dimensions and resonant modes of operation, which are found to be extremely sensitive to added mass. Along their unique sensing attributes, they also offer foundry compatible microfabrication processes, low DC power consumption, and CMOS integration compatibility. In this work, electrostatically and piezoelectrically actuated RF MEMS bulk resonators have been investigated for mass sensing applications. The capacitively-transduced resonators employed electrostatic actuation to achieve desired resonance mode shapes. These devices were fabricated on silicon-on-insulator (SOI) substrates with a device layer resistivity ranging from 0.005 Ω cm to 0.020 Ω cm. The electrode-to-resonator capacitive gap was defined by two different techniques: oxidation enabled gap reduction and sacrificial atomic layer deposition (ALD). For oxidation enabled gap reduction, a hard mask composed of silicon nitride and polysilicon is deposited, patterned, and defined using standard MEMS thin-film layer deposition and fabrication techniques. The initial lithographically-defined capacitive gap of 1 μm is further reduced to ~300 nm by a wet furnace oxidation process. Subsequently, the reduced gap is transferred to the device layer using a customized dry high-aspect-ratio dry etching technique. For sacrificial approach, a ~100 nm-thin ALD aluminum oxide sidewall spacer is chemically etched away as the last microfabrication step to define the ~100 nm capacitive gap. Small capacitive gaps developed in this work results in small motional resistance (Rm) values, which relax the need of the read-out circuitry by enhancing the signal transduction. Piezoelectrically-actuated resonators were developed using thin-film bulk acoustic resonant (FBAR or TFBAR) and thin-film piezoelectric-on-substrate (TPoS) technologies with reported Q factors and resonant frequencies as high as 10,638 and 776.54 MHz, respectively, along with measured motional resistance values as low as 169Ω. To the best of our knowledge, this work is the first one that demonstrated TPoS resonators using LPCVD polysilicon as an alternative low loss structural layer to single-crystal silicon with Q factors as high as ~3,000 (in air) and measured motional resistance values as low as 6 kΩ with an equivalent acoustic velocity of 6,912 m s-1 for a 7 μm thick layer. Polysilicon based TPoS single devices were measured with the coefficient of resonant frequency of -3.77 ppm/°C, which was the lowest ever reported for this type of devices. Also a novel releasing process, thin-piezo on single crystal reactive etched (TPoSCRE), allows us to develop of TPoS resonators without the need to SOI wafers. The fabricated devices using this technique were reported with Q factor exceeding ~1,000 and measured motional resistance values as low as 9 kΩ. The sensitivity of a fourth-order contour mode ZnO-on-SOI disk resonator based mass sensor was determined by performing multiple depositions of platinum micro-pallets using a focus ion beam (FIB) equipped with gas injection system on strategically-chosen locations. It was found out that the sensitivity of the resonator on its maximal and minimal displacement points was of 1.17 Hz fg-1 and 0.334 Hz fg-1, respectively. Also, the estimated limit of detection of the resonator was found to be a record breaking 367 ag (1 ag = 10-18g) compared to devices with similar modes of resonance. Lastly, a lateral-extensional resonator was used to measure the weight of HKUST-1 MOF crystal cluster. The weight of it was found to be 24.75 pg and 31.19 pg by operating two lateral resonant modes, respectively.

A large-area electronics (LAE) strain sensor, termed soft elastomeric capacitor (SEC), has shown great promise in fatigue crack monitoring. The SEC is capable to monitor strain changes over a large structural surface and undergo large deformations under cracking. Previous tests verified that the SEC can detect and localize fatigue cracks under low-cycle fatigue loading. In this paper, we further investigate the SEC's capability for monitoring high-cycle fatigue cracks, which are commonly seen in steel bridges. The peak-to-peak amplitude (pk-pk amplitude) of the SEC measurement is proposed as an indicator of crack growth. This technique is is robust and insensitive to long-term capacitance drift. To overcome the difficulty of identifying the pk-pk amplitude in time series due to high signal-to-noise ratio, a signal processing method is established. This method converts the measured SEC capacitance and applied load to power spectral densities (PSD) in the frequency domain, such that the pk-pk amplitudes of the measurements can be accurately extracted. Finally, the performance of this method is validated using a fatigue test of a compact steel specimen equipped with a SEC. Results show that the crack growth under high-cycle fatigue loading can be successfully monitored using the proposed signal processing method.

Abstract Users of mobile devices induce detrimental electrical effects on the antenna when devices are operated in close proximity to either the head, hand or fingers. A totally covered antenna can suffer over 10 dB gain loss and force an increase in the output power of the device, which additionally causes shorter battery life and higher emissions in terms of the specific absorption rate (SAR) and hearing aid compatibility (HAC). The user effect can be minimized with compensation methods such as active antenna tuning or a spatial antenna selection. In this thesis, capacitive proximity sensors are investigated in order to provide new characteristics for user effect compensation. The thesis has three parts. In the first, hand positions along the device chassis are measured with the antenna integrated capacitive sensor. The results are in proportion to the induced hand loss in the antenna. Secondly, discrete electrode sensors are studied as hand and single finger proximity recognition and are found to have a good performance in applications. Thirdly, weaknesses of integrated and discrete sensors are evaluated. The discrete sensor had an induced low antenna loss of 0.05–0.20 dB in the 1–2 GHz bands. In contrast, the integrated sensor caused radio interference in proper GSM channels, decreasing the sensitivity of the radio receiver. The capacitive sensor is able to sense the user proximity effect regardless of antenna matching, which may be changed in a complex manner when more than one electrical resonance is used in the same frequency band or when the matching is modified mainly by the resistive component. In multiple-antenna applications, capacitive sensors are able to maintain up-dated information of user loads of all antennas. Combining the results, the discrete electrode sensors fulfilled the technical and operational objectives of this thesis. They are able to detect a single finger or other user objects, they have low losses and they can be located in such a way that will not consume extra room in mobile devices. / Tiivistelmä Kannettavien päätelaitteiden käyttäjät aiheuttavat sähköisiä häviöita laitteen antennissa kun laitetta käytetään käden, pään tai sormien läheisyydessä. Kokonaan peitetyn antennin häviö voi olla yli 10 dB, mikä johtaa laitteessa lisääntyneeseen tehontarpeeseen, lyhyempään pariston kestoon ja korkeampiin haitta-arvoihin SAR ja HAC mittauksissa. Käyttäjän vaikutusta voidaan minimoida kompensaatiotekniikoilla kuten antennin säädöllä ja -valinnalla. Tässä työssä kapasitiivisia antureita tutkittiin uusien käyttäjävaikutuksen kompensaatiotekniikoiden löytämiseksi. Työ jakaantuu kolmeen osaan. Ensimmäiseksi käden sijainti laitteen rungon suhteen on mitattu kapasitiivisella anturilla. Nämä tulokset ovat verrannollisia käden aiheuttamaan kuormaan antennissa. Toiseksi erillisiä antureita tutkittiin käden ja sormien havaitsemiseksi hyvällä menestyksellä eri sovelluksissa. Kolmanneksi arvioitiin antennin integroidun ja erillisen anturin heikkouksia. Erillisen anturin aiheuttama häviö antenniin oli 0.05–0.20 dB 1–2 GHz taajuuskaistalla. Vastaavasti integroitu anturi aiheutti radiohäiriöitä tietyillä radiokanavilla, mikä heikentää vastaanottimen herkkyyttä. Kapasitiivinen anturi havaitsee käyttäjän läheisyyden riippumatta antennin sovituksesta. Sovitus voi muuttua monimutkaisesti kun useampaa sähköistä resonanssia käytetään samalla taajuuskaistalla tai sovitukseen vaikuttaa sähköisesti resistiivinen kuorma. Moniantennirakenteissa kapasitiiviset anturit voivat tuottaa jatkuvaa informaatiota käyttäjän aiheuttamasta kuormasta eri antenneissa. Erilliset kapasitiiviset anturit täyttivät ne tekniset ja toiminnalliset vaatimukset, jotka työlle aluksi asetettiin. Niillä voidaan havaita yksittäinen sormi tai muu kohde, ne ovat pienihäviöisiä, ja ne voidaan sijoittaa tilaa säästävällä tavalla nykyisiin päätelaitteisiin.

One of the key requirements in the design of wireless sensor nodes and miniature biomedical devices is energy efficiency. For a sensor node, which is a sensor and readout circuit, to survive on limited energy sources such as a battery or harvested energy, its energy consumption should be minimized. Capacitive sensors are candidates for use in energy-constrained applications, as they do not consume static power and can be used in a wide range of applications to measure different physical, chemical or biological quantities. However, the energy consumption is dominated by the capacitive interface circuit, i.e. the capacitance-to-digital converter (CDC). Several energy-efficient CDC architectures are introduced in this dissertation to meet the demand for high resolution and energy efficiency in smart capacitive sensors. First, we propose an energy-efficient CDC based on a differential successive-approximation data converter. The proposed differential CDC employs an energy-efficient operational transconductance amplifier (OTA) based on an inverter. A wide capacitance range with fine absolute resolution is implemented in the proposed coarse-fine DAC architecture which saves 89% of silicon area. The proposed CDC achieves an energy efficiency figure-of-merit (FOM) of 45.8fJ/step, which is the best reported energy efficiency to date. Second, we propose an energy efficient CDC for high-precision capacitive resolution by using oversampling and noise shaping. The proposed CDC achieves 150 aF absolute resolution and an energy efficiency FOM of 187fJ/conversion-step which outperforms state of the art high-precision differential CDCs. In the third and last part, we propose an in-vitro cancer diagnostic biosensor-CMOS platform for low-power, rapid detection, and low cost. The introduced platform is the first to demonstrate the ability to screen and quantify the spermidine/spermine N1 acetyltransferase (SSAT) enzyme which reveals the presence of early-stage cancer, on the surface of a capacitive biosensor. This platform, which is a biosensor combined with a highly energy-efficient digital CDC, is implemented and fabricated in a CMOS technology and can sense and convert the capacitance value from the biosensor to a digital word in an energy efficient way. The platform achieves an ultra-low power consumption: four orders of magnitude less than the state-of-the-art biosensor-CMOS platforms.