Orientador: Jose Alexandre Diniz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T20:16:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Biasotto_Cleber_D.pdf: 3795677 bytes, checksum: e4e2355f73ec8fb2ad7677cdf17f5daf (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Atualmente para atender à necessidade de fabricação dos sensores, dispositivos eletrônicos e circuitos integrados com dimensões micro e nanométricas, novos processo de custos e de thermal budgets reduzidos são necessários. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de alguns destes novos processos alternativos para aplicação nesta fabricação. O trabalho está dividido em quatro partes: a primeira parte apresenta a obtenção e a caracterização de filmes isolantes de nitreto de silício para aplicação em microsensores, tais como o sensor de pressão. Estes filmes foram obtidos sobre substratos de Si em baixa temperatura (20°C) utilizando-se um reator de plasma do tipo ECRCVD (Electron Cyclotron Resonance - Chemical Vapor Deposition). Normalmente reatores do tipo Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) ou Plasma Enhanced - CVD (PECVD) em temperaturas maiores que 600ºC e 250ºC, respectivamente, são utilizados para essa aplicação. A caracterização dos plasmas ECR, que foram usados para as deposições dos nitretos, e a fabricação de membranas suspensas com estes filmes são apresentadas. A segunda parte apresenta a fabricação e a caracterização de diodos p+-n fabricados em camada de SiGe crescida por LPCVD sobre substrato de Si. Processo este alternativo em substituição aos executados em reatores epitaxiais de alto custo. Na terceira parte deste trabalho, é apresentado o desenvolvimento de processos em baixa temperatura para aplicação em diodos e tecnologia MOS (Metal-Oxide-Semiconductor). São apresentadas a fabricação e a caracterização elétrica dos capacitores MOS, utilizando as tecnologias ALD (Atomic Layer Deposition) e ICP (Inductively Coupled Plasma) para a obtenção em baixa temperatura dos dielétricos high-k de Al2O3 e SiON de porta MOS, respectivamente. Na quarta parte, são apresentadas também, a fabricação e a caracterização elétrica de diodos n+p utilizando a tecnologia de recozimento a laser. O desenvolvimento de capacitores MOS e diodos possibilitou a fabricação (usando processos em baixa temperatura (?400oC)) de n- e p-MISFETs (Metal- Insulator-Semiconductor Field Effect Transistors), como também a fabricação de um protótipo de transistor MOS de alta velocidade baseado em silício germânio chamado D-DotFET (Disposable Dot Field Effect Transistor). Os processos alternativos desenvolvidos nesta tese apresentam um enorme potencial para aplicação nas próximas gerações de dispositivos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) de dimensões sub-22 nm / Abstract: Nowadays, to attend the needs of the fabrication of sensors, electronic devices and integrated circuits with dimensions of micro and nanometrics, new processes of reduced costs and thermal budgets are needed. This work presents the development of some of these alternative processes for this fabrication. This work is divided in four parts: the first part presents the synthesis and characterization of insulating films of silicon nitride for application in microsensors, such as pressure sensors. These films were deposited on Si substrates at low temperature (20°C) using an ECR-CVD (Electron Cyclotron Resonance - Chemical Vapor Deposition) plasma reactor. Normally, Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) or Plasma Enhanced CVD - (PECVD) reactors are used for this application with high temperature process higher than 600oC and 250oC, respectively. The characterization of ECR plasmas, which were used to get the silicon nitrides, and the fabrication of suspended membranes based on these nitrides are presented. The second part presents the fabrication and the characterization of p+-n silicon germanium (SiGe) diodes fabricated on SiGe layers, which were grown by LPCVD on Si substrate. The grown of SiGe layers by LPCVD is an alternative process to replace the high cost of epitaxial reactors. In the third part of this work is presented the development of low-temperature processes for application in diodes and MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) technology. The fabrication at low temperature and electrical characterization of MOS capacitors, using technologies as: ALD (Atomic Layer Deposition) and ICP (Inductively Coupled Plasma) to get the Al2O3 and SiON high-k gate dielectrics of MOS capacitors are presented, respectively. In the four part, the fabrication and electrical characterization of n+-p diodes using the process of laser annealing are presented as well. The development of MOS capacitors and diodes have become feasible the fabrication (using processes at low temperature (? 400oC)) of n- and p-MISFETs (Metal- Insulator -Semiconductor Field Effect Transistors) and also the fabrication of a high speed MOS transistor prototype based on silicon germanium named D-DotFET (Disposable Dot Field Effect Transistor). In conclusion, the alternative processes developed in this thesis have shown to be a huge potential for application in next generations of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) devices with sub- 22 nm dimensions / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Magnetic tunnel junctions (MTJ) ofCoFeB=MgO=CoFeB and multilayers of (CoFeB=MgO)x3 were produced using the technique of magnetron sputtering, where the insulating film was grown in an atmosphere reactive Ar +O. Multilayers were produced on measures of X-ray difraction and magnetization. Junctions for transport measurements. All curves IxV, nonlinear, were measured at room temperature, and adjustments made using the Simmons model for symmetric barrier. Adjustments were made firt for the positive voltages and then to negative voltages, where the height and thickness of the barrier and the effective area of tunneling was always considered free parameters. Since the effective area of tunneling, much smaller than the area produced during deposition,thus indicating the existence of points where the current tunneling through the barrier,due to fluctuations in the thickness of the insulation. The post was seen exponential growth of the resistance multiplied by the effective area of tunneling as a function of thickness, using only the values calculated from the simulation curves IxV. We also observed the curve of conductance versus voltage, for the investigation of oxidation or not the interface between electrode and barrier, showing that almost 100% of samples of the tunnel junctions was low oxidation of the electrode (positive). / Junções túnel magnéticas (MTJ) deCoFeB=MgO=CoFeB e multicamadas deCoFeB=MgO)x3 foram produzidas utilizando a técnica de magnetron sputtering, onde o filme isolante foi crescido em atmosfera reativas, Ar+O. As multicamadas foram produzidas visando medidas de difração de raio-X (XRD) e magnetização. As junções, para medidas de transporte. Todas as curvas IxV, não lineares, foram medidas a temperatura ambiente, e os ajustes realizados utilizando o modelo de Simmons para barreira simétrica. Os ajustes foram realizados primeiro para as tensões positivas e depois para tensões negativas, onde a altura e a espessura da barreira, e a área efetiva de tunelamento foram considerados parâmetros livres sempre. Sendo a área efetiva de tunelamento, muito menor, do que a área produzida durante a deposição, indicando assim a existência de pontos onde a corrente de tunelamento atravessa a barreira, devido a flutuações na espessura do isolante. A posteriori foi verificado o crescimento exponencial da resistência multiplicada pela área efetiva de tunelamento em função da espessura, utilizando somente valores calculados através das simulações das curvas IxV. Também foi verificada a curva de condutância versus a tensão, para a investigação da oxidação ou não da interfase entre eletrodo e barreira, mostrando que quase 100% das amostras das junções túnel ocorreu oxidação do eletrodo de baixo (positivo).

Durante o desenvolvimento pós-natal do hipocampo, as junções comunicantes (JC) formadas por conexinas (Cxs) neuronais participam na maturação da circuitaria hipocampal promovendo a regulação da atividade espontânea sincronizada neuronal. Neste estudo investigamos as duas Cxs neuronais mais abundantes no hipocampo, a Cx36 e Cx45, durante o desenvolvimento pós-natal. Identificamos mudanças nos níveis de transcritos e proteicos da Cx36 e Cx45 ao longo deste período. Nossos resultados revelaram que ambas as Cxs neuronais estão presentes nas sub-regiões do hipocampo e que sua distribuição é modulada em função da progressão do desenvolvimento. Atráves da avaliação dos níveis de atividade neuronal identificamos diferenças exercidas pelo bloqueio das JCs em hipocampo de neonatos e na segunda semana de vida. Nossos resultados mostram que as Cxs neuronais são reguladas durante o desenvolvimento pós-natal do hipocampo, assim como sua ação sobre sua excitabilidade, mostrando que as Cxs podem contribuir de forma distinta em periodo específicos do desenvolvimento hipocampal. / Gap junctions (GJ) composed of neuronal connexins (Cx) play a significant role in the activity-dependent circuitry maturation promoting modulation of coherent spontaneous neuronal activity. Herein, we evaluate two major hippocampal neuronal Cxs, Cx36 and Cx45 during postnatal development. We identified changes in Cx36 and Cx45 transcript and protein levels during these developmental periods. Interestingly, immunofluorescence analyses showed that Cx36 and Cx45 are located in all hippocampal subregions. Also, neuronal Cx distribution in these sub-regions is modulated throughout postnatal development. Using electrophysiological recording, we identified changes imposed by GJ blocker over the hippocampal activity in neonates and two-week-old rats. Our finds demonstrate a regulation of neuronal Cxs and distinct GJ role in activity modulation during postnatal hippocampal development, which might be essential to physiological processes that govern proper hippocampal development.

Teoricamente, conexões por sinapses elétricas entre neurônios poderiam levar ao aumento da faixa de resposta dinâmica da rede neural. A faixa de resposta dinâmica de uma rede de neurônios pode ser definida como a faixa de valores de intensidade dos estímulos de entrada para a qual o conjunto de neurônios produz resposta antes de atingir a saturação. Em um cenário biológico, propôs-se que junções gap entre células ganglionares da retina aumentariam a faixa dinâmica da retina. O teste experimental dessa proposta apresenta várias dificuldades, o que torna a modelagem computacional uma alternativa metodológica para o estudo do papel das sinapses elétricas na faixa dinâmica da camada ganglionar da retina. O objetivo deste trabalho foi a construção de um modelo biologicamente plausível da camada ganglionar da retina da salamandra, submetida a sinais de entrada realísticos conforme evidências experimentais e com a inclusão de sinapses elétricas conectando suas células, para estudar in silico os possíveis efeitos dessas sinapses elétricas sobre a faixa dinâmica da camada ganglionar. A camada ganglionar foi modelada como uma rede bidimensional cujos neurônios foram modelados pelo formalismo de Hodgkin-Huxley. Cada neurônio recebeu um de dois tipos de entrada sináptica, transiente ou sustentada. Avaliou-se o efeito da inibição pré-sináptica das células ganglionares e o efeito de diferentes padrões de conectividade mediados pelas sinapses elétricas. Os resultados sugerem que o acoplamento elétrico aumenta a sensibilidade do sistema e altera o ponto de saturação, mas não necessariamente aumenta a faixa dinâmica. / Theoretically, connections by electrical synapses between neurons could lead to an increase in their dynamic range. The dynamic range of a network of neurons can be defined as the range of input stimuli values for which the network responds before saturation. In a biological scenario, it is hypothesized that gap junctions between retinal ganglion cells may increase the dynamic range of the retina. However, the experimental testing of this hypothesis presents several difficulties, which makes computational modeling a methodological alternative to study the role of electrical synapses on the dynamic range of the ganglion cell layer of the retina. In this work we constructed a biologically plausible computational model of the ganglion cell layer of the salamander retina. A bidimensional network was built with cells modeled by the Hodgkin-Huxley formalism connected via gap junctions and subject to realistic inputs constrained by experimental evidence, to study in silico the effects of gap junctions on the dynamic range of the model. We studied the effect of different gap junction-mediated connectivity patterns, input type combinations (transient, sustained and mixed between the two) and presynaptic inhibition on the dynamic range. Our results suggest that gap junction coupling increases the network\'s sensitivity and alters the saturation point but not necessarily increases the dynamic range.

Esta tese fornece uma descrição do comportamento plástico de tubos metálicos de parede fina isotrópicos e anisotrópicos na conformação não convencional de junções metálicas utilizando elastômeros.A força total de conformação associada ao deslocamento do domo das junções são previstas teoricamente e experimentalmente para três materiais de tubos recozidos distintos: Alumínio, Cobre e Latão 70/30. Alguns dos parâmetros plásticos dos materiais dos tubos, assim como o parâmetro do processo escolhido, o fator de atrito, são também analisados com base nessas mesmas forças.Um dispositivo foi também construído e empregado somente para simular o processo unilateral de conformação de junções de cobre, devido à dificuldade já estabelecida na predição do valor do fator de atrito, m. Este dispositivo é capaz de avaliar o fator de atrito usado em um novo modelo analítico para o calculo da força total de conformação, a qual é útil para a definição do ferramental e do equipamento necessário no processo. Esse modelo incorpora a anisotropia, através do emprego de três critérios de escoamentos anisotrópicos diferentes, ou seja, o critério de Hill de 1948, o critério de Hill de 1979 e uma variante desse último critério, estabelecida por Hosford.Finalmente, é estabelecido um melhor entendimento sobre o comportamento ao escoamento plástico de tubos de paredes finas em processamento, o qual traduz o conhecimento necessário para propor soluções visando melhorar a eficiência do processo de conformação de junções de tubos metálicos utilizando elastômeros, assim como permitirá a idealização de novos projetos.

A fixação de estruturas e equipamentos aeronáuticos por meio de juntas aparafusadas é amplamente utilizada e requer bastante cuidado de projeto. Quanto à carga de trabalho, existem dois tipos de juntas aparafusadas: juntas de cisalhamento e juntas de tração. O escopo deste trabalho restringe-se somente ao estudo do segundo tipo de junta, onde os parafusos são predominantemente tracionados em sua condição de trabalho. Uma junta aparafusada tem a função de resistir aos carregamentos de operação e manter o aperto do parafuso por toda sua vida em serviço. Para isso, é necessário um adequado dimensionamento dos parafusos. A determinação da pré-carga de aperto é a base do cálculo da maioria dos conceitos de cálculo deste tipo de união. Uma das principais incertezas no dimensionamento de uma junta fixada por parafusos é a determinação do coeficiente de rigidez dos componentes sob compressão nesta união (com placas e arruelas). Através dos coeficientes de rigidez dos componentes de uma junta é possível entender a sua distribuição de carga, resistência, vida em fadiga, etc. Baseado na importância deste tipo de aplicação na engenharia aeronáutica, o presente trabalho tem como objetivo: 1. apresentar um critério de cálculo para juntas aparafusadas em aplicações aeronáuticas; 2. revisar as principais referências usadas no cálculo e dimensionamento de juntas rigidamente fixadas por parafusos; e 3. propor o método dos elementos fininitos (MEF) de modo a determinar a rigidez dos componentes de uma junta aparafusada, que pode ser muito útil para juntas com graus de complexidade geométrica. Para o estudo da rigidez de juntas, relizado neste trabalho, utiliza-se do método da energia considerando a montagem de uma junta aparafusada como um sistema conservativo. Os coeficientes de rigidez de placas e parafuso são calculados com base na energia de deformação de cada um destes componentes para uma dada carga no parafuso. Em primeira análise, o MEF é proposto no estudo das variações geométricas das placas (espessura e largura). Os resultados obtidos são comparados às teorias de cálculo de rigidez convencionais. Com esta comparação é possivel avaliar a aplicação do método de cálculo proposto com as principais referências convencionais. O segundo estudo utiliza o MEF em uma aplicação de junta aparafusada não convencional. Nesta junção, as placas são de alumínio, e o parafuso é feito de aço. Entre a cabeça e a porca do parafuso apresenta-se uma bucha de uma liga de cobre e berílio. Esta bucha trabalha junto com as placas em compressão pela carga de aperto, e a sua presença causa incertezas no uso dos métodos de cálculos convencionais de rigidez. Neste estudo, é possível comparar o método com resultados de equações embasadas em experimentos neste tipo de montagem. Como último estudo, avalia-se a rigidez de três configurações de juntas, diferentes em relação às cabeças de parafuso. Esta avaliação usa apenas os recursos numéricos como exemplo de aplicação do método apresentado, que tem como proposta investigar os efeitos dos diferentes tipos de cabeças de parafusos na rigidez das placas sob compressão.

Este trabalho apresenta a modelagem em elementos finitos da estrutura do Itasat, um satélite universitário coordenado em parceria pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e pela Agência Espacial Brasileira (AEB). Em toda a estrutura do satélite utiliza-se placas-sanduíche com núcleo de colméia e faces isotrópicas, ambos em alumínio. É apresentado, então, um modelo de elementos finitos de três camadas para a análise destas placas, sendo o núcleo modelado por elementos sólidos (CHEXA) e as faces representadas por elementos de placas (CQUAD4). É utilizado para tal, o programa comercial MSC. Nastran. Também o modo de junção dos painéis internos do satélite é analisado. Estes painéis formam ângulos retos entre si, que transferem tração, compressão e cargas de flexão de um painel ao outro, como as juntas-T. Juntas coladas e parafusadas são usadas e alguns comentários são feitos. Como a análise de estruturas grandes e/ou complexas muitas vezes excedem a capacidade computacional, a divisão em subestruturas se torna necessária. Assim, este trabalho apresentou formas de subestruturação estática (Método dos Deslocamentos) e subestruturação dinâmica, também conhecida como Síntese Modal de Componentes, pelo método de Craig-Bampton. Observa-se que o uso de subestruturas apresenta resultados muito próximos aos de uma estrutura completa, tornando válidas as técnicas apresentadas.

Este trabalho tem como objetivo estudar a viabilidade de se utilizar um novo conceito de soldagem entre perfis reforçadores de liga de alumínio da série 7XXX e chapas de liga de alumínio da série 2XXX pela tecnologia de soldagem FSW (Friction Stir Welding). Com este novo conceito, um perfil reforçador com geometria especial é soldado por FSW a uma chapa com o intuito de se fechar toda a interface entre a flange do reforçador e a chapa, esperando-se que se obtenha um ganho tanto em processo como em peso, já que o processo de fabricação se torna mais enxuto. O processo FSW foi inventado e patenteado pela TWI, um renomado centro especializado em junção de materiais, em 1991, no Reino Unido. Esta técnica de soldagem caracteriza-se por ocorrer no estado sólido, isto é, sem que haja a fusão do material a ser unido. No processo de soldagem FSW, uma ferramenta especial composta por um ombro e um pino é rotacionada de forma a gerar atrito entre as partes a serem soldadas. O atrito gerado pela ferramenta causa o aquecimento do material a ser soldado, que faz com que o mesmo seja plastificado, enquanto uma força axial aplicada pelo ombro da ferramenta consolida a solda. Duas ferramentas similares compostas por um mesmo pino, porém com ombros diferentes foram utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho. Baseando-se nos parâmetros de referência da solda FSW sobreposta convencional, foram realizadas várias soldas pela metodologia de tentativa e erro. Em todos os casos, foi realizada análise visual das soldas FSW. As soldas que apresentaram boa qualidade superficial foram submetidas ao ensaio metalográfico, e caso não apresentassem nenhum defeito, seriam submetidos ao ensaio de tração transversal à solda, a fim de comparar as propriedades mecânicas entre a solda FSW sobreposta com este novo conceito e a solda FSW sobreposta convencional.

Durante a fabricação de estruturas de compósito nas aeronaves podem ocorrer defeitos que requerem reparos. O estudo de técnicas de reparo evita o refugo quando essas podem ser reaproveitadas. Nesse intuito, há estudos sobre vantagens e viabilidade de muitas técnicas, dentre as quais através do reparo do tipo spot-face que consiste na aplicação de um patch de composto em local a ser reparado devidamente preparado. É desejável que o tipo do material e orientação das camadas sejam semelhantes para laminado e reparo. Este trabalho realiza a simulação numérica de laminados reparados por essa técnica à ruptura verificando o efeito da variação da orientação do reparo na sua resistência. Conclui-se que é importante que sejam verificadas as recomendações devido ao potencial decréscimo de carga de ruptura para placas reparadas incorretamente. Também é desejável que as peças do reparo tenham identificação visual clara para sua correta aplicação.

O objetivo deste trabalho é caracterizar o modo de falha de juntas fabricadas com laminados de material compósito sujeitos a cargas de impacto de baixa energia, através de um modelo em software de elementos finitos Abaqus/Explicit. As juntas em compósitos foram fabricadas por três tipos de processo: colagem, rebitagem e soldagem. Dados experimentais foram coletados no laboratório de ensaios estruturais do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) através do impacto de corpos de provas (cdps) utilizando a Torre de Impacto em queda livre (Drop Test Tower - DTT). Nestes testes foi possível verificar a força de impacto e a energia dissipada em função do tempo para cada um dos três tipos de juntas. Na simulação de elementos finitos foram utilizados dois modelos de danos para atender as condições reais de impacto, resultando em uma boa aproximação entre as curvas teóricas e experimentais de força de impacto e energia dissipada, e assim caracterizar o modo de falha para cada tipo de junta.