Internet of Things (IoT) - Ecosystem and Indoor Climate Dashboard for Visualization in Domestic Homes

Internet of Things (IoT) has become a ubiquitous ”thing” that we are not aware of. It fits right into daily life as we do our chores, making it simpler without us knowing it in the background. IoT is a ”thing” that digitalizes everyday objects and generates a huge amount of data at our disposal. If the data are not handled with analytics or visualization to give meaningful insights it can be wasted. Design theory is a cornerstone in the process of designing a good dashboard. This thesis aims to validate the current design theory by applying it to a dashboard using an IoT ecosystem as its data source. This was done through iterative prototyping and user testing. The results show that some design theory elements are prevalent, while others are not so important. Having the human-in-the-loop approach and design theory combined is a necessity for creating good design. The final prototype reflects the results of the user testing and can be seen as an indicator of good design

Big data analytics for intra-logistics process planning in the automotive sector

The manufacturing sector is facing an important stage with Industry 4.0. This paradigm shift impulses companies to embrace innovative technologies and to pursuit near-zero fault, near real-time reactivity, better traceability, and more predictability, while working to achieve cheaper product customization. The scenario presented addresses multiple intra-logistic processes of the automotive factory Volkswagen Autoeuropa, where different situations need to be addressed. The main obstacle is the absence of harmonized and integrated data flows between all stages of the intra-logistic process which leads to inefficiencies. The existence of data silos is heavily contributing to this situation, which makes the planning of intra-logistics processes a challenge. The objective of the work presented here, is to integrate big data and machine learning technologies over data generated by the several manufacturing systems present, and thus support the management and optimisation of warehouse, parts transportation, sequencing and point-of-fit areas. This will support the creation of a digital twin of the intra-logistics processes. Still, the end goal is to employ deep learning techniques to achieve predictive capabilities, all together with simulation, in order to optimize processes planning and equipment efficiency. The work presented on this thesis, is aligned with the European project BOOST 4.0, with the objective to drive big data technologies in manufacturing domain, focusing on the automotive use-case

Aika-digitaalimuunnin laajakaistaisiin aikapohjaisiin analogia-digitaalimuuntimiin

Modern deeply scaled semiconductor processes make the design of voltage-domain circuits increasingly challenging. On the contrary, the area and power consumption of digital circuits are improving with every new process node. Consequently, digital solutions are designed in place of their purely analog counterparts in applications such as analog-to-digital (A/D) conversion. Time-based analog-to-digital converters (ADC) employ digital-intensive architectures by processing analog quantities in time-domain. The quantization step of the time-based A/D-conversion is carried out by a time-to-digital converter (TDC). A free-running ring oscillator -based TDC design is presented for use in wideband time-based ADCs. The proposed architecture aims to maximize time resolution and full-scale range, and to achieve error resilient conversion performance with minimized power and area consumptions. The time resolution is maximized by employing a high-frequency multipath ring oscillator, and the full-scale range is extended using a high-speed gray counter. The error resilience is achieved by custom sense-amplifier -based sampling flip-flops, gray coded counter and a digital error correction algorithm for counter sampling error correction. The implemented design achieves up to 9-bit effective resolution at 250 MS/s with 4.3 milliwatt power consumption.Modernien puolijohdeteknologioiden skaalautumisen seurauksena jännitetason piirien suunnittelu tulee entistä haasteellisemmaksi. Toisaalta digitaalisten piirirakenteiden pinta-ala sekä tehonkulutus pienenevät prosessikehityksen myötä. Tästä syystä digitaalisia ratkaisuja suunnitellaan vastaavien puhtaasti analogisien rakenteiden tilalle. Analogia-digitaalimuunnos (A/D-muunnos) voidaan toteuttaa jännitetason sijaan aikatasossa käyttämällä aikapohjaisia A/D-muuntimia, jotka ovat rakenteeltaan pääosin digitaalisia. Kvantisointivaihe aikapohjaisessa A/D-muuntimessa toteutetaan aika-digitaalimuuntimella. Työ esittelee vapaasti oskilloivaan silmukkaoskillaattoriin perustuvan aika-digitaalimuuntimen, joka on suunniteltu käytettäväksi laajakaistaisessa aikapohjaisessa A/D-muuntimessa. Esitelty rakenne pyrkii maksimoimaan muuntimen aikaresoluution sekä muunnosalueen, sekä saavuttamaan virhesietoisen muunnostoiminnan minimoidulla tehon sekä pinta-alan kulutuksella. Aikaresoluutio on maksimoitu hyödyntämällä suuritaajuista monipolkuista silmukkaoskillaattoria, ja muunnosalue on maksimoitu nopealla Gray-koodi -laskuripiirillä. Muunnosprosessin virhesietoisuus on saavutettu toteuttamalla näytteistys herkillä kiikkuelementeillä, hyödyntämällä Gray-koodattua laskuria, sekä jälkiprosessoimalla laskurin näytteistetyt arvot virheenkorjausalgoritmilla. Esitelty muunnintoteutus saavuttaa 9 bitin efektiivisen resoluution 250 MS/s näytetaajuudella ja 4.3 milliwatin tehonkulutuksella

The Missouri Miner, February 03, 1988

https://scholarsmine.mst.edu/missouri_miner/3478/thumbnail.jp

Degradation Models and Optimizations for CMOS Circuits

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltungen ist derzeit eines der größten Herausforderungen beim Chip- und Schaltungsentwurf. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung erhöht jede neue Generation der Halbleitertechnologie die elektrischen Felder innerhalb der Transistoren. Dieses stärkere elektrische Feld stimuliert die Degradationsphänomene (Alterung der Transistoren, Selbsterhitzung, Rauschen, usw.), was zu einer immer stärkeren Degradation (Verschlechterung) der Transistoren führt. Daher erleiden die Transistoren in jeder neuen Technologiegeneration immer stärkere Verschlechterungen ihrer elektrischen Parameter. Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Schaltung zu wahren, wird es daher unerlässlich, die Auswirkungen der geschwächten Transistoren auf die Schaltung präzise zu bestimmen. Die beiden wichtigsten Auswirkungen der Verschlechterungen sind ein verlangsamtes Schalten, sowie eine erhöhte Leistungsaufnahme der Schaltung. Bleiben diese Auswirkungen unberücksichtigt, kann die verlangsamte Schaltgeschwindigkeit zu Timing-Verletzungen führen (d.h. die Schaltung kann die Berechnung nicht rechtzeitig vor Beginn der nächsten Operation abschließen) und die Funktionalität der Schaltung beeinträchtigen (fehlerhafte Ausgabe, verfälschte Daten, usw.). Um diesen Verschlechterungen der Transistorparameter im Laufe der Zeit Rechnung zu tragen, werden Sicherheitstoleranzen eingeführt. So wird beispielsweise die Taktperiode der Schaltung künstlich verlängert, um ein langsameres Schaltverhalten zu tolerieren und somit Fehler zu vermeiden. Dies geht jedoch auf Kosten der Performanz, da eine längere Taktperiode eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet. Die Ermittlung der richtigen Sicherheitstoleranz ist entscheidend. Wird die Sicherheitstoleranz zu klein bestimmt, führt dies in der Schaltung zu Fehlern, eine zu große Toleranz führt zu unnötigen Performanzseinbußen. Derzeit verlässt sich die Industrie bei der Zuverlässigkeitsbestimmung auf den schlimmstmöglichen Fall (maximal gealterter Schaltkreis, maximale Betriebstemperatur bei minimaler Spannung, ungünstigste Fertigung, etc.). Diese Annahme des schlimmsten Falls garantiert, dass der Chip (oder integrierte Schaltung) unter allen auftretenden Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt. Darüber hinaus ermöglicht die Betrachtung des schlimmsten Falles viele Vereinfachungen. Zum Beispiel muss die eigentliche Betriebstemperatur nicht bestimmt werden, sondern es kann einfach die schlimmstmögliche (sehr hohe) Betriebstemperatur angenommen werden. Leider lässt sich diese etablierte Praxis der Berücksichtigung des schlimmsten Falls (experimentell oder simulationsbasiert) nicht mehr aufrechterhalten. Diese Berücksichtigung bedingt solch harsche Betriebsbedingungen (maximale Temperatur, etc.) und Anforderungen (z.B. 25 Jahre Betrieb), dass die Transistoren unter den immer stärkeren elektrischen Felder enorme Verschlechterungen erleiden. Denn durch die Kombination an hoher Temperatur, Spannung und den steigenden elektrischen Feldern bei jeder Generation, nehmen die Degradationphänomene stetig zu. Das bedeutet, dass die unter dem schlimmsten Fall bestimmte Sicherheitstoleranz enorm pessimistisch ist und somit deutlich zu hoch ausfällt. Dieses Maß an Pessimismus führt zu erheblichen Performanzseinbußen, die unnötig und demnach vermeidbar sind. Während beispielsweise militärische Schaltungen 25 Jahre lang unter harschen Bedingungen arbeiten müssen, wird Unterhaltungselektronik bei niedrigeren Temperaturen betrieben und muss ihre Funktionalität nur für die Dauer der zweijährigen Garantie aufrechterhalten. Für letzteres können die Sicherheitstoleranzen also deutlich kleiner ausfallen, um die Performanz deutlich zu erhöhen, die zuvor im Namen der Zuverlässigkeit aufgegeben wurde. Diese Arbeit zielt darauf ab, maßgeschneiderte Sicherheitstoleranzen für die einzelnen Anwendungsszenarien einer Schaltung bereitzustellen. Für fordernde Umgebungen wie Weltraumanwendungen (wo eine Reparatur unmöglich ist) ist weiterhin der schlimmstmögliche Fall relevant. In den meisten Anwendungen, herrschen weniger harsche Betriebssbedingungen (z.B. sorgen Kühlsysteme für niedrigere Temperaturen). Hier können Sicherheitstoleranzen maßgeschneidert und anwendungsspezifisch bestimmt werden, sodass Verschlechterungen exakt toleriert werden können und somit die Zuverlässigkeit zu minimalen Kosten (Performanz, etc.) gewahrt wird. Leider sind die derzeitigen Standardentwurfswerkzeuge für diese anwendungsspezifische Bestimmung der Sicherheitstoleranz nicht gut gerüstet. Diese Arbeit zielt darauf ab, Standardentwurfswerkzeuge in die Lage zu versetzen, diesen Bedarf an Zuverlässigkeitsbestimmungen für beliebige Schaltungen unter beliebigen Betriebsbedingungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck stellen wir unsere Forschungsbeiträge als vier Schritte auf dem Weg zu anwendungsspezifischen Sicherheitstoleranzen vor: Schritt 1 verbessert die Modellierung der Degradationsphänomene (Transistor-Alterung, -Selbsterhitzung, -Rauschen, etc.). Das Ziel von Schritt 1 ist es, ein umfassendes, einheitliches Modell für die Degradationsphänomene zu erstellen. Durch die Verwendung von materialwissenschaftlichen Defektmodellierungen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Degradationsphänomena modelliert, um ihre Wechselwirkungen zu berücksichtigen (z.B. Phänomen A kann Phänomen B beschleunigen) und ein einheitliches Modell für die simultane Modellierung verschiedener Phänomene zu erzeugen. Weiterhin werden die jüngst entdeckten Phänomene ebenfalls modelliert und berücksichtigt. In Summe, erlaubt dies eine genaue Degradationsmodellierung von Transistoren unter gleichzeitiger Berücksichtigung aller essenziellen Phänomene. Schritt 2 beschleunigt diese Degradationsmodelle von mehreren Minuten pro Transistor (Modelle der Physiker zielen auf Genauigkeit statt Performanz) auf wenige Millisekunden pro Transistor. Die Forschungsbeiträge dieser Dissertation beschleunigen die Modelle um ein Vielfaches, indem sie zuerst die Berechnungen so weit wie möglich vereinfachen (z.B. sind nur die Spitzenwerte der Degradation erforderlich und nicht alle Werte über einem zeitlichen Verlauf) und anschließend die Parallelität heutiger Computerhardware nutzen. Beide Ansätze erhöhen die Auswertungsgeschwindigkeit, ohne die Genauigkeit der Berechnung zu beeinflussen. In Schritt 3 werden diese beschleunigte Degradationsmodelle in die Standardwerkzeuge integriert. Die Standardwerkzeuge berücksichtigen derzeit nur die bestmöglichen, typischen und schlechtestmöglichen Standardzellen (digital) oder Transistoren (analog). Diese drei Typen von Zellen/Transistoren werden von der Foundry (Halbleiterhersteller) aufwendig experimentell bestimmt. Da nur diese drei Typen bestimmt werden, nehmen die Werkzeuge keine Zuverlässigkeitsbestimmung für eine spezifische Anwendung (Temperatur, Spannung, Aktivität) vor. Simulationen mit Degradationsmodellen ermöglichen eine Bestimmung für spezifische Anwendungen, jedoch muss diese Fähigkeit erst integriert werden. Diese Integration ist eines der Beiträge dieser Dissertation. Schritt 4 beschleunigt die Standardwerkzeuge. Digitale Schaltungsentwürfe, die nicht auf Standardzellen basieren, sowie komplexe analoge Schaltungen können derzeit nicht mit analogen Schaltungssimulatoren ausgewertet werden. Ihre Performanz reicht für solch umfangreiche Simulationen nicht aus. Diese Dissertation stellt Techniken vor, um diese Werkzeuge zu beschleunigen und somit diese umfangreichen Schaltungen simulieren zu können. Diese Forschungsbeiträge, die sich jeweils über mehrere Veröffentlichungen erstrecken, ermöglichen es Standardwerkzeugen, die Sicherheitstoleranz für kundenspezifische Anwendungsszenarien zu bestimmen. Für eine gegebene Schaltungslebensdauer, Temperatur, Spannung und Aktivität (Schaltverhalten durch Software-Applikationen) können die Auswirkungen der Transistordegradation ausgewertet werden und somit die erforderliche (weder unter- noch überschätzte) Sicherheitstoleranz bestimmt werden. Diese anwendungsspezifische Sicherheitstoleranz, garantiert die Zuverlässigkeit und Funktionalität der Schaltung für genau diese Anwendung bei minimalen Performanzeinbußen

A Ringamp-Assisted, Output Capacitor-less Analog CMOS Low-Dropout Voltage Regulator

Continued advancements in state-of-the-art integrated circuits have furthered trends toward higher computational performance and increased functionality within smaller circuit area footprints, all while improving power efficiencies to meet the demands of mobile and battery-powered applications. A significant portion of these advancements have been enabled by continued scaling of CMOS technology into smaller process node sizes, facilitating faster digital systems and power optimized computation. However, this scaling has degraded classic analog amplifying circuit structures with reduced voltage headroom and lower device output resistance; and thus, lower available intrinsic gain. This work investigates these trends and their impact for fine-grain Low-Dropout (LDO) Voltage Regulators, leading to a presented design methodology and implementation of a state-of-the-art Ringamp-Assisted, Output Capacitor-less Analog CMOS LDO Voltage Regulator capable of both power scaling and process node scaling for general SoC applications

Use of particulate material for the formulation of diagnostic products

Diagnosis is the medical act that identifies the signs and the symptoms of an illness. It is an unavoidable step before the prescription of any medical treatment. Over the last decades, the increasing desire of more precise diagnosis, led to the emergence of new tools: the diagnostic products. These products are used to identify and monitor the cause of disorders to facilitate and specify the diagnosis, and thus, allow an adaptation of the medical treatment. Diagnostic products can be imaging probes, labels for immunoassays, reagents, contrast agents, or radiopharmaceutical products. As a part of diagnostic products, companion diagnostics are specific of a treatment and are mostly used in cancer therapies. They help determining if the patient would profit from a medication, depending on his genotype and possible genetic mutations. Phenotyping cocktails are diagnostic products that are used in phenotyping to obtain additional information, considering the effect of external environmental factors which can also influence the response to a treatment. Diagnostic products permit the personalization of medicine, by adapting the medications to the patient, optimize the treatment, and reduce potential side effects. Despite their great benefit, only a few diagnostic products are developed, limiting the possibility to improve diagnosis and therapeutics. In this manuscript, we present 2 diagnostic products formulated with nanoparticulate and microparticulate material. The first formulation consists in “polymersomes containing quantum dots (QDs) for cellular imaging”. These polymeric vesicles have the capacity to encapsulate highly fluorescent probes like QDs to prevent the toxic effect of the latter without altering their imaging properties. The second diagnostic product is the “CombiCap, a novel drug formulation for the Basel phenotyping cocktail”. This unique formulation is equivalent to the 6 dosage forms composing the Basel cocktail and presents many advantages that facilitate its diagnostic use. Both formulated products are intended for diagnostic purposes. They are safe, reliable, specific, customizable, easy to formulate and easy to use. They bring precise information on the health status of the patient in order to give a better diagnosis, to adapt the medical treatment and to monitor the therapeutic response. The interest for individualized therapies is growing, and therefore, the development of new diagnostic products needs to increase. In the future, the personalization of diagnosis and therapeutics will be a common medical practice

Development of MEMS Piezoelectric Vibration Energy Harvesters with Wafer-Level Integrated Tungsten Proof-Mass for Ultra Low Power Autonomous Wireless Sensors

La génération d’énergie localisée et à petite échelle, par transformation de l’énergie vibratoire disponible dans l’environnement, est une solution attrayante pour améliorer l’autonomie de certains noeuds de capteurs sans-fil pour l’Internet des objets (IoT). Grâce à des microdispositifs inertiels résonants piézoélectriques, il est possible de transformer l’énergie mécanique en électricité. Cette thèse présente une étude exhaustive de cette technologie et propose un procédé pour fabriquer des microgénérateurs MEMS offrant des performances surpassant l’état de l’art. On présente d’abord une revue complète des limites physiques et technologiques pour identifier le meilleur chemin d’amélioration. En évaluant les approches proposées dans la littérature (géométrie, architecture, matériaux, circuits, etc.), nous suggérons des métriques pour comparer l’état de l’art. Ces analyses démontrent que la limite fondamentale est l’énergie absorbée par le dispositif, car plusieurs des solutions existantes répondent déjà aux autres limites. Pour un générateur linéaire résonant, l’absorption d’énergie dépend donc des vibrations disponibles, mais aussi de la masse du dispositif et de son facteur de qualité. Pour orienter la conception de prototypes, nous avons réalisé une étude sur le potentiel des capteurs autonomes dans une automobile. Nous avons évalué une liste des capteurs présents sur un véhicule pour leur compatibilité avec cette technologie. Nos mesures de vibrations sur un véhicule en marche aux emplacements retenus révèlent que l’énergie disponible pour un dispositif linéaire résonant MEMS se situe entre 30 à 150 Hz. Celui-ci pourrait produire autour de 1 à 10 μW par gramme. Pour limiter la taille d’un générateur MEMS pouvant produire 10 μW, il faut une densité supérieure à celle du silicium, ce qui motive l’intégration du tungstène. L’effet du tungstène sur la sensibilité du dispositif est évident, mais nous démontrons également que l’usage de ce matériau permet de réduire l’impact de l’amortissement fluidique sur le facteur de qualité mécanique Qm. En fait, lorsque l’amortissement fluidique domine, ce changement peut améliorer Qm d’un ordre de grandeur, passant de 103 à 104 dans l’air ambiant. Par conséquent, le rendement du dispositif est amélioré sans utiliser un boîtier sous vide. Nous proposons ensuite un procédé de fabrication qui intègre au niveau de la tranche des masses de tungstène de 500 μm d’épais. Ce procédé utilise des approches de collage de tranches et de gravure humide du métal en deux étapes. Nous présentons chaque bloc de fabrication réalisé pour démontrer la faisabilité du procédé, lequel a permis de fabriquer plusieurs prototypes. Ces dispositifs ont été testés en laboratoire, certains démontrant des performances records en terme de densité de puissance normalisée. Notre meilleur design se démarque par une métrique de 2.5 mW-s-1/(mm3(m/s2)2), soit le meilleur résultat répertorié dans l’état de l’art. Avec un volume de 3.5 mm3, il opère à 552.7 Hz et produit 2.7 μW à 1.6 V RMS à partir d’une accélération de 1 m/s2. Ces résultats démontrent que l’intégration du tungstène dans les microgénérateurs MEMS est très avantageuse et permet de s’approcher davantage des requis des applications réelles.Small scale and localized power generation, using vibration energy harvesting, is considered as an attractive solution to enhance the autonomy of some wireless sensor nodes used in the Internet of Things (IoT). Conversion of the ambient mechanical energy into electricity is most often done through inertial resonant piezoelectric microdevices. This thesis presents an extensive study of this technology and proposes a process to fabricate MEMS microgenerators with record performances compared to the state of the art. We first present a complete review of the physical and technological limits of this technology to asses the best path of improvement. Reported approaches (geometries, architectures, materials, circuits) are evaluated and figures of merit are proposed to compare the state of the art. These analyses show that the fundamental limit is the absorbed energy, as most proposals to date partially address the other limits. The absorbed energy depends on the level of vibrations available, but also on the mass of the device and its quality factor for a linear resonant generator. To guide design of prototypes, we conducted a study on the potential of autonomous sensors in vehicles. A survey of sensors present on a car was realized to estimate their compatibility with energy harvesting technologies. Vibration measurements done on a running vehicle at relevant locations showed that the energy available for MEMS devices is mostly located in a frequency range of 30 to 150 Hz and could generate power in the range of 1-10 μW per gram from a linear resonator. To limit the size of a MEMS generator capable of producing 10 μW, a higher mass density compared to silicon is needed, which motivates the development of a process that incorporates tungsten. Although the effect of tungsten on the device sensitivity is well known, we also demonstrate that it reduces the impact of the fluidic damping on the mechanical quality factor Qm. If fluidic damping is dominant, switching to tungsten can improve Qm by an order of magnitude, going from 103 to 104 in ambient air. As a result, the device efficiency is improved despite the lack of a vacuum package. We then propose a fabrication process flow to integrate 500 μm thick tungsten masses at the wafer level. This process combines wafer bonding with a 2-step wet metal etching approach. We present each of the fabrication nodes realized to demonstrate the feasibility of the process, which led to the fabrication of several prototypes. These devices are tested in the lab, with some designs demonstrating record breaking performances in term of normalized power density. Our best design is noteworthy for its figure of merit that is around 2.5 mW-s-1/(mm3(m/s2)2), which is the best reported in the state of the art. With a volume of 3.5 mm3, it operates at 552.7 Hz and produces 2.7 μW at 1.6 V RMS from an acceleration of 1 m/s2. These results therefore show that tungsten integration in MEMS microgenerators is very advantageous, allowing to reduce the gap with needs of current applications

Broadband Permittivity Characterization of Tunable Dielectric Thin Films for Millimeter-wave Devices

The use of millimeter-wave carrier frequencies has the potential to revolutionize wireless telecommunications by providing a massive increase in available bandwidth. However, millimeter-wave communications are hindered by poor atmospheric and building penetration, and require complicated RF front-end architectures. Tunable dielectric thin films offer a fast, compact, and cost-effective way to overcome many of the challenges facing the use of millimeter-wave spectrum. Few materials have been characterized in the millimeter-wave regime where measurements become increasingly challenging as test signal wavelengths approach the physical size of devices. The few tunable dielectric materials that have been studied at these frequencies suffered from high dielectric loss or other limitations. In this dissertation, we address both the measurement and materials challenges that have limited the commercial implementation of tunable millimeter-wave devices. In this work, we describe our implementation of a unified on-wafer approach to measure the relative permittivity of thin films and substrates across a continuous frequency band from 100 Hz to 110 GHz. We achieve this ultra-wide bandwidth by combining electrical measurements of on-wafer planar capacitors and transmission lines, and use finite-element simulations to connect our electrical measurements to material properties. Motivated by the need for better tunable dielectrics, we also developed a high throughput technique to accelerate the discovery of tunable dielectric thin films. We discuss this technique, which is inspired by the principles of combinatorial materials science and the “Materials Genome Initiative”. Our technique enables the characterization of many unique material compositions using a single 10 mm composition-spread thin film chip. In addition to speeding up the synthesis, fabrication, and measurement steps, the single-sample nature of this approach provides extreme consistency in the processing variables that impact dielectric properties. Finally, we present another approach to tunable dielectric materials discovery with our development of (SrTiO3)n−1(BaTiO3)1SrO thin films incorporating “targeted chemical pressure”. These atomically-precise, strain-engineered superlattices achieve unparalleled performance, with measured relative tunability of almost 50 % and low dielectric loss even beyond 100 GHz. We discuss our use of the materials-by-design approach, which incorporates collaboration between theory, synthesis, and characterization, to overcome barriers to commercial integration without sacrificing advantageous material properties