Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de uma unidade de navegação inercial em tempo real utilizando sensores de baixo custo do tipo MEMS integrados a um Sistema de Posicionamento Global (GPS), por meio de um filtro de Kalman discreto, para aplicação em veículos autônomos. Um algoritmo de determinação de atitude foi também desenvolvido. No sistema implementado, os sinais provenientes de sensores inerciais (giroscópios e acelerômetros) e do GPS foram tratados por um microcontrolador de oito bits. As informações provenientes dos sensores MEMS são muito ruidosas, por este motivo, um algoritmo chamado superamostragem e decimação também foi implementado. Depois de tratados por todos os algoritmos contidos no sistema global, os dados então, são transmitidos via comunicação sem fio para um computador onde o estado (posição e velocidade) de uma plataforma móvel pode ser observado, por meio de uma interface gráfica desenvolvida em linguagem C. Os resultados obtidos demonstram que o sistema desenvolvido é confiável para aplicações em sistemas de navegação e controle, principalmente no VANT acadêmico que esta sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisa em eletrônica embarcada do Instituto Tecnológica de Aeronáutica - ITA. O sistema final apresenta baixo custo financeiro em relação aos sistemas disponíveis no mercado tornando-se assim uma alternativa que pode ser usada como ferramenta em pesquisas acadêmicas e aplicações industriais.

Este trabalho se insere na área de estudos da detecção interferométrica óptica como forma de interrogação de acelerômetros da vertente tecnológica de sistemas micro-eletro-mecânicos, provenientes do Projeto AcelerAD, financiado pela FINEP, realizado no âmbito do DCTA/IEAv. Acelerômetros são dispositivos capazes de medir acelerações e vibrações, em até três dimensões, às quais é submetido um determinado corpo; sua alta sensibilidade às acelerações é extremamente útil a inúmeras aplicações. Normalmente, o processo de leitura da aceleração é realizado por métodos eletrônicos; contudo, em certas aplicações, é necessário garantir que o processo de obtenção das informações fornecidas pelo acelerômetro seja imune às interferências eletromagnéticas do ambiente de operação. Dessa forma, este trabalho explora a viabilidade de interrogação de acelerômetros por meios ópticos, explorando a natureza interferométrica óptica da topologia estrutural, não intencionalmente concebida para esse propósito, que foi adotada no acelerômetro MEMS desenvolvido no escopo do Projeto AcelerAD.

Este trabalho apresenta o uso de técnicas de otimização, baseadas em Meta-Heurísticas, em vistas de propor melhorias no projeto e desempenho de um acelerômetro capacitivo, baseado na tecnologia de Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos (Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS), desenvolvido dentro do escopo do projeto ACELERAD.A modelagem analítica é apresentada com enfoque em modelos analíticos alternativos, para representação do amortecimento por compressão em filmes finos de fluido, para baixas pressões, aplicados em dispositivos MEMS, visando refinar a modelagem do microacelerômetro do ponto de vista fluido-mecânico. Também são abordados alguns dos principais modelos semi-empíricos, aplicados na representação de comportamento térmico do material de constituição do elemento sensor. Um circuito elétrico analógico de interrogação do sensor é apresentado, a fim de compor o sistema elétrico do dispositivo, visando uma abordagem alternativa de interrogação do transdutor de aceleração MEMS. Também é apresentado um modelo do dispositivo, com a inclusão do modelo adotado para representar o amortecimento por compressão de filmes finos de fluido. O modelo refinado do transdutor de aceleração MEMS é empregado como um problema de otimização de caráter complexo, os quais são resolvíveis por métodos de resolução de problemas de otimização robustos, baseados em técnicas estocásticas. Os métodos PSO (ParticleSwarmOptimization) e BH (Black Hole) são aplicados ao problema, visando melhoria de performance dinâmica, e simultaneamente, a redução do tamanho total do dispositivo. Como resultado, foram obtidos duas novas configurações para o transdutor de aceleração, preservando-se o mesmo processo de fabricação dentro dos limites tecnológicos aplicáveis ao mesmo.A caracterização do microacelerômetro MEMS, fabricado no âmbito do projeto ACELERAD é iniciada e são apresentados os modelos que permitem estimar algumas das principais variáveis do dispositivo. Adicionalmente, foram realizadas as primeiras medidas experimentais do dispositivo em território nacional.

Autômatos celulares e suas variações são atualmente utilizados para simulação de diversos processos físicos. De especial interesse para o campo de simulação de processos de micro-fabricação são os autômatos celulares para evolução de frentes circulares e elípticas e os autômatos celulares para corrosão anisotrópica de Si. No presente trabalho é apresentado um autômato celular alternativo para uso na simulação da evolução topográfica de uma superfície. Este autômato celular apresenta diversas vantagens em relação aos autômatos celulares reportados na literatura, como menor vizinhança e melhores resultados para grandes redes de células. Também foi avaliada a viabilidade do uso de um autômato celular multipartículas para simulação de processos de dopagem e oxidação térmica do silício. Este autômato celular multipartículas se mostrou uma alternativa interessante para simulação da dopagem de Si por impurezas. Aqui é apresentado também detalhes do software desenvolvido, o simMEMS, para incorporar estes autômatos celulares em um único ambiente, permitindo assim a simulação do processo de fabricação completo de inúmeros dispositivos como MEMS, MOEMS e dispositivos e circuitos microeletrônicos. São também, como exemplo, o processo de fabricação de um microespelho para projeção digital de luz, uma porta lógica NOR e uma microagulha para uso em uma matriz de eletrodos com aplicações em biologia e medicina. / Cellular automata and their variations are currently used to simulate a large range of physical phenomena. Of special interest to the microfabrication field are cellular automata for the propagation of circular and elliptical fronts as well as cellular automata for the simulation of silicon wet etching. Here an alternative cellular automaton for use in surface propagation is presented. This cellular automaton has several advantages over those reported in the literature, such as a smaller neighborhood e better results in large grid simulations. The results on the study on the viability of using a multiparticle cellular automaton for simulation of reaction diffusion systems in microfabrication simulation are also reported. The multiparticle cellular automaton was used to simulate both dopant diffusion in silicon and silicon thermal oxidation. This multiparticle cellular automaton was found to be of interest to the simulation of dopant diffusion in silicon. Details of the implementation of the software developed to incorporate these cellular automata, called simMEMS, and allow for the simulation of complex MEMS, MOEMS and microelectronic circuits and devices are also presented. The fabrication processes of several complex devices, including a micromirror for digital light projection, a quad NOR logic gate IC and a microneedle for use in a medical electrode array, are presented as an example of the capabilities of the simMEMS software.

Neste trabalho foi desenvolvido um estudo sistemático das propriedades estruturais, mecânicas e ópticas de filmes de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-Si1-xCx:H) produzidos pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD) a baixas temperaturas (320°C), utilizando silana (SiH4) e metano (CH4) como gases precursores do silício e carbono, com a finalidade de avaliar sua aplicabilidade em processos de microfabricação. Foram depositadas duas séries de filmes de a-Si1-xCx:H, com e sem diluição de hidrogênio da mistura gasosa, variando alguns parâmetros, como potência de RF, concentração de metano e fluxo de silana. Os filmes depositados com a mistura gasosa diluída em hidrogênio apresentaram valores maiores de módulo de elasticidade, dureza, gap óptico e índice de refração, comparados com os filmes depositados sem a adição de hidrogênio; no entanto esses filmes apresentaram também valores maiores de stress residual, ocasionando deformações e em alguns casos a quebra das microestruturas fabricadas. No caso das amostras depositados sem a adição de hidrogênio na mistura gasosa, os filmes com conteúdo de carbono maior que 45% depositados com baixa densidade de potência (50 mW.cm-2) apresentaram baixos valores de stress residual compressivo (menores que 60 MPa) e, as microestruturas fabricadas com eles mostraram que o material possui uma superfície livre de defeitos e uma excelente aderência ao substrato, mostrando a viabilidade de poder utilizá-lo como material estrutural e de mascaramento em processos de microfabricação. Além disso, esses filmes são transparentes para comprimentos de onda acima de 600 nm na região visível do espectro eletromagnético, apresentando-o como um material promissório para a fabricação de guias de onda. Finalmente, com o incremento da potência de RF para 100 W na deposição do filme quase estequiométrico com a mistura gasosa não diluída em hidrogênio, conseguiu-se duplicar a taxa de deposição para aproximadamente 12 nm/min, incorporando uma maior quantidade de carbono (~57%), porém também aumento o valor do stress residual compressivo para ~267 MPa. No entanto, as estruturas suspensas fabricadas com este material não apresentaram deformações notáveis. / In this work a study of structural, mechanical and optical properties of hydrogenated amorphous silicon carbide (a-Si1-xCx:H) films, obtained by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at low temperatures (320°C), using silane (SiH4) and methane (CH4) as a gaseous precursors of silicon and carbon, respectively is performed, intending to assess their suitability in microfabrication processes. Two series of a-Si1-xCx:H films were deposited, with and without hydrogen dilution of the gaseous mixture, varying parameters, such as RF power, methane concentration and silane flow. The films deposited with hydrogen diluted gaseous mixture showed higher values of elastic modulus, hardness, optical gap and refractive index, compared with films produced without hydrogen dilution; however these films present higher values of compressive residual stress, causing deformations and in some cases cracks in the microstructures utilizing these films as structural material. In the case of the films deposited without hydrogen dilution of the gaseous mixture, those with carbon contents higher than 45% deposited at low power densities (50 mW.cm-2) presented lower values of compressive residual stress (lower than 60 MPa), and the microstructures fabricated with these materials do not show defects in the surface and have a good adherence to the substrate, demonstrating the feasibility of using these materials as structural and masking materials in microfabrication processes. Moreover, these samples are transparent to wavelengths larger than 600 nm in the visible range of the spectrum, making it suitable to the fabrication of waveguides. Finally, with the increase in the RF power to 100 W in the deposition process without hydrogen dilution a sample close to stoichiometry presented an increase in the deposition rate to approximately 12 nm/min and in the carbon content (~57%); however the compressive residual stress also increased. In spite of that, the microstructures fabricated with this material do not show notable deformations.

O presente trabalho teve como foco o desenvolvimento de um software para a simulação de processos de microfabricação em substrato e de microfabricação em superfície baseado em autômatos celulares, o simMEMS. Além disso, visando a futura incorporação de ferramentas para análise das estruturas geradas pelo programa, um módulo com funcionalidades básicas para a análise mecânica de estruturas também foi desenvolvido. No que tange à microfabricação em superfície, o software desenvolvido permite simular a corrosão anisotrópica úmida do Si em KOH e deep reactive ion etching (DRIE). O simulador de corrosão úmida utiliza um autômato celular conhecido como BCA. O simulador de DRIE usa um autômato próprio. Para a simulação dos processos de microfabricação em superfície o software fornece quatro processos: deposição de filmes, corrosão de filmes, fotolitografia e planarização. Para corrosão e deposição de filmes, diversos autômatos celulares da literatura foram analisados e os resultados dessas análises é aqui apresentado. Todos os simuladores, tanto de microfabricação em superfície como em substrato, podem ser utilizados em conjunto. Isso torna o software bastante útil e capaz de simular a fabricação de um grande número de dispositivos. / The main goal of this project is the development of a software capable of simulating both surface and bulk micromachining based on a cellular automata approach. This software has been called simMEMS. In order to enable future versions of the software to also be able to analyze the structures created by the software, a module capable of running a mechanical analysis through the finite element method is also developed. simMEMS allows the user to simulate two bulk micromachining processes: wet anisotropic KOH etching and deep reactive ion etching DRIE. The wet etching simulator uses a cellular automaton known as BCA. The DRIE simulator uses an automaton developed during this project. The surface micromachining simulator allows the user to simulate four types of processes: photolithography, film deposition, film etching and substrate planarization. Several automata for the deposition and etching of films are studied and the results of this study are presented here. All processes, be they for surface or bulk micromachining, can be used on the same substrate to simulate the entire fabrication process for a large array of devices. This makes simMEMS a very useful software.

Microssistemas eletromecânicos ou Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), representam uma classe de dispositivos que combinam funções mecânicas e eletrônicas em escala micrométrica. Através do uso de técnicas de microfabricação, adaptadas da indústria de semicondutores, é realizada a integração entre estruturas móveis, sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a implementação de sistemas completos miniaturizados. Acelerômetros eletrostáticos estão entre os dispositivos MEMS mais comercializados hoje em dia, com venda anual em todo o mundo superior a 100 milhões de unidades e crescente a cada ano. Eles são geralmente fabricados utilizando-se três lâminas de silício espessas, coladas uma sobre a outra. A camada intermediária é obtida por processos de corrosão e consiste de uma grande massa de prova suspensa por uma ou mais vigas. Ela é separada das lâminas superior e inferior por um pequeno espaço vazio (gap), dando origem a dois conjuntos de capacitores de placas paralelas. A flexibilidade das vigas permite que a massa se mova proporcionalmente à aceleração externa e o seu deslocamento é estimado pela variação da capacitância do conjunto. O projeto destes sensores é uma tarefa complexa, já que os seus diversos requisitos de desempenho são, na maioria das vezes, conflitantes, isto é, se o projeto é modificado para melhorar uma característica, as demais são inevitavelmente afetadas e por isso técnicas de otimização devem ser utilizadas na etapa de projeto. Com o intuito de melhorar o desempenho de micro-acelerômetros capacitivos, são então propostas e avaliadas no atual trabalho duas técnicas de otimização distintas, sendo uma delas baseada em Otimização Paramétrica (OP) e a outra no Método da Otimização Topológica (MOT). A OP parte de uma topologia previamente definida e adota algumas de suas características geométricas como variáveis de projeto. Para levar em consideração incertezas nas dimensões e propriedades dos materiais, que é um elemento-chave na concepção e fabricação de dispositivos MEMS, neste trabalho a OP é combinada com o método da Otimização de Projeto Baseado em Confiabilidade ou Reliability-based Design Optimization (RBDO). Análises de confiabilidade de primeira ordem através do Método de Confiabilidade de Primeira Ordem, ou First-Order Reliability Method (FORM), são utilizadas para o cálculo das probabilidades envolvidas nesta formulação. Já o MOT combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um modelo de material com algoritmos de otimização para encontrar a distribuição ótima de material em um domínio de projeto pré-estabelecido. As variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material em cada ponto do domínio. Na modelagem pelo MEF utiliza-se elementos de placa estrutural do tipo Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC). Exemplos práticos utilizando ambas as abordagens são apresentados e os seus resultados discutidos com o intuito de se avaliar o potencial de cada técnica para o projeto de micro-acelerômetros capacitivos. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) are a class of devices that combine mechanical and electronic functions on a micrometric scale. Through the use of microfabrication techniques, adapted from the semiconductor industry, the integration of mobile structures, sensors, actuators and electronics is performed, allowing the implementation of fully miniaturized systems. Electrostatic accelerometers are among the highest volume MEMS products nowadays, with worldwide annual sales topping 100 million units and growing steadily. Bulk-type accelerometers are generally manufactured using three thick silicon wafers, bonded together one on top of the other. The intermediate layer is obtained by etching processes and consists of a big proof mass suspended by one or more beams. It is separated from the upper and lower wafers by a small gap, resulting in two sets of parallel plate capacitors. The flexibility of the beams allows the mass to move proportionally to the external acceleration and its displacement is estimated by the change in capacitance of the set. The design of such sensors is a complex task, since they depend on many performance requirements, which are most often conflicting. If a design is modified to improve one characteristic, others are inevitably affected. Therefore, optimization techniques are regularly used in the design stage of MEMS sensors. Aiming to improve the performance of capacitive micro-accelerometers, in the present work two optimization techniques are presented, the first is based on Parametric Optimization (PO) and the other is the Topology Optimization Method (TOM). The PO starts from a predefined topology and uses some of its geometric characteristics as design variables. In order to account for uncertainties in the dimensions and material properties, which is a key element in the design and fabrication of MEMS devices, in this work the PO is combined with the Reliability-based Design Optimization (RBDO) method. The First-Order Reliability Method (FORM) is applied to calculate the probabilities involved in the RBDO formulation. The TOM combines the Finite Element Method (FEM) and a material model with optimization techniques to find the best constrained material distribution in a fixed design domain. The design variables are the pseudo-densities that describe the amount of material at each point of the domain. The FE model is discretized using the Reissner-Mindlin plate element with the Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC) formulation. Practical examples using both approaches are presented and discussed in order to evaluate the potential of each technique to the design of capacitive micro-accelerometers.

Microsistemas eletrotermomecânicos (ETM) são sistemas em escalas micrométricas que operam baseados na deformação por efeito termoelástico, induzida pelo aquecimento da sua estrutura devido a uma corrente elétrica. Já que é desejável que a sua resposta transiente seja rápida, amortecida e estável ao alcançar equilíbrio e, além disso, conhecendo o fato de que o fenômeno térmico é o mais lento entre os diferentes domínios físicos envolvidos nos microsistemas ETM, faz-se necessário minimizar o tempo de resposta nesse domínio com o fim de melhorar o desempenho do sistema. Isso pode ser obtido pela mudança da sua topologia estrutural. Assim, neste trabalho de mestrado, o Método de Otimização Topológica (MOT) é aplicado no projeto de microsistemas ETM levando em conta a resposta térmica transiente de forma a reduzir o seu tempo de resposta e maximizar o seu deslocamento de saída. O MOT combina técnicas de otimização com o Método de Elementos Finitos (MEF) para distribuir material em um domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema. A modelagem dos microsistemas ETM é obtida resolvendo-se as equações de equilíbrio utilizando o MEF linear com base em elementos de quatro nós isoparamétricos sem considerar dependência das propriedades do material com a temperatura. O problema elétrico é resolvido com uma análise de correntes estacionárias, já no problema transiente térmico, a distribuição de temperatura é uma função variável no tempo. No domínio elástico, a massa e os efeitos de amortecimento são negligenciados, assim, o problema torna-se quase-estático. Na formulação da Otimização Topológica o modelo de material é baseado no método das densidades ou \"Solid Isotropic Microstructure with Penalization\" (SIMP) combinado com um filtro de sensibilidade e duas funções de penalização como técnicas de controle da solução para reduzir os problemas de instabilidades numéricas intrínsecas ao MOT. Os fatores de penalização do SIMP são obtidos mediante um enfoque analítico. A Programação Linear Seqüencial (PLS) e o Método das Assíntotas Móveis ou \"Method of Moving Asymptotes\" (MMA) são usados para resolver o problema de otimização não-linear. Resultados bidimensionais são apresentados com o intuito de ilustrar o método. Além disso, as topologias finais são obtidas mediante um algoritmo de interpretação de forma e os resultados da otimização dinâmica são confrontados com os obtidos por um enfoque estático, que foi implementado somente para fins comparativos. / Electrothermomechanical (ETM) microsystems are systems in micrometric scale which operate based on thermoelastic effect deformation induced by heating the structure by means of an electrical current. Since a fast, damped and stable (at steady state) transient response is desirable with the aim of improving ETM efficiency, it is necessary to minimize the response time of the thermal effect which is the slowest phenomena among different physics involved in the ETM microsystems. This can be achieved by changing the ETM structural topology. Thus, in this work, the Topology Optimization Method (TOM) is applied to ETM microsystems design, taking into account transient thermal response in order to reduce their response time and to maximize their output displacement. The TOM combines optimization techniques with the finite element method (FEM) to distribute material in a fixed design domain in order to extremize a cost function subjected to some inherent constraints of the problem. The modeling of ETM microsystems is obtained by solving the governing equations using the linear FEM based on four-node isoparametric elements. Non-temperature dependent material properties are considered in the finite element models. The electrical problem is solved by considering a steady current static analysis; the transient state thermal problem considers a temperature distribution that varies over time. In the elastic domain, the mass and the damping effects are neglected, thus, resulting in a quasi-static problem. In the Topology Optimization formulation the material model is based on the Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP) model combined with a sensitivity filter and two penalty functions as solution control techniques to reduce mesh dependence and checkerboard problems intrinsic to the TOM. The penalty factors in SIMP are obtained through an analytical approach. Sequential Linear Programming (SLP) and Method of Moving Asymptotes (MMA) are used for solving the non-linear optimization problem. Two-dimensional results are presented to illustrate the method. Moreover, the final topologies are obtained by a shape interpretation algorithm and the dynamic optimization result is compared with steady-state optimization, which is implemented for comparative purposes.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-06-27Bitstream added on 2014-06-13T20:29:07Z : No. of bitstreams: 1 bassinello_dg_me_bauru.pdf: 2448194 bytes, checksum: 911c482b9ecfe0c957b2b1eeca0bdacf (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Neste trabalho é realizada a análise do comportamento dinâmico não linear, caótico e controle, de um sistema macro eletromecânico e um sistema micro eletromecânico, e esta dividida em duas partes: A primeira parte desta dissertação trata - se de um sistema eletromecânico de 2º ordem com um único grau de liberdade em escala macro. Tal sistema é constituído de um oscilador mecânico composto de massa, mola não linear e amortecedor acolplado a um circuito elétrico, este composto uma resistência em série com um atuador capacitivo e um magnésio variável. O objetivo desta análise é estudar o comportamento dinâmico do modelo eletromecânico em estado de equilíbrio, e verificar como as simplificaçõs das não linearidades podem alterar a resposta do sistema. São aplicadas dua técnicas de controle ativo o controle linear feedback e o controle utilizado a equação de Riccati dependente do estado, como ferramenta para obter as oscilações em uma órbita periódica desejada, e com a finalidade de realizar uma comparação entre a eficiência destes dois métodos, para este sistema. Na segunda parte é analisado o comportamento dinâmico de um sistema micro MEMS, representado por um micro-acelerômetro moderado por uma equação diferencial não-linear de segunda ordem. Este sistema considera duas placas fixas e uma placa móvel entre elas, a qual é aplicada uma tensão V (t), tais placas têm as funções de fornecer eletrodos para formar um capacitor e armazenar energia elétrica, e de fornecer elasticidade ou rigidez mecânica. Os resultados são obtidos através de simulações numéricas, sendo possível observar que para uma determinada faixa de parâmetros utilizados o sistema apresenta um comportamento indesejável. Através do uso da técnica do controle ótimo foi possível levar o sistema a uma orbita periódica desejada / This work presented analysis of the dynamic behavior of nonlinear and chaotic control, of electromechanical systems in macro and micro scales, and is divided into two parts. The first part of this work is an electromechanical system in macro scale of second order with of a single degree of freedom. This system consists of mechanical oscillator consisting of mass, spring nonlinear and damper, coupled to an electric circuit, this compound a resistence in series with a capacitive actuator and a magnetic variable. The purpose of this analysis is to study the dynamic behavior of electromechanical model in equilibrium, and see how the simplifications of nonlinearities can change the system response. Two techniques are applied to active control, linear feedback control, and control using the Riccati equation sate-dependent, as a tool for the oscillations in a disired periodic orbit, and with the purpose to make a comparison between the effectiveness of two methods for this system. In the second part we analyze the dynamic behavior of a micro electromechanical system MEMS, represented by a micro-accelerometer is modeled by a nonlinear differential equation of second order. This system takes two fixed plates and a movable plate between them, which is applied a voltage V (t), such boards have the function of providing electrodes to form a capacitor or store electrical energy, and providing mechanical stiffness or elasticity. Results are obtained through numerical simulations. As can be seen that for a certain range of parameters the sytem presents an undesirable behavior. Through the using the technique of optimal control could case the sysstem to a desired periodic orbit. For the system with dimensionless parameters one can observe a chaotic behavior. As in general it is not possible to obtain exact analytical solutions to equations, sought an approximate solution obtained by the method of perturbation, the (Method of Multiple Scales)