Liquid Flowmeter Using Thermal Measurement; Design and Application

This thesis presents flowmeter devices which can measure flowrate, pressure and temperature offlowing liquid samples using thermal measurement method. Typical thermal mass flowmeter usesthermal properties of materials to obtain flow features only for gases. We designed and fabricatedflowmeter devices with various functionalities such as: measuring properties of flowing liquid andidentifying the type of liquid samples.Thermal measurement methods using temperature sensor is a key of our flowmeter’s workingprinciple. The thermal mass flowmeter consists of a glass capillary, a tungsten wire heater, and aresistance temperature detector (RTD) sensor. The heater and sensors are integrated on the surface ofthe glass capillary. Noncontact flow measurement between sensor and liquid sample prevents flowdisturbance and corrosion of sensors. When robustness and sensitivity are required for flowmeasurement, the thermal mass time of flight (ToF) measurement method, along with its simplereadout, make it a great candidate for industrial and vehicle applications. The heat traveling timemeasurement is the method that measures the time of flight of thermal mass from heating site tosensing site. Depending on the flowrate of fluid and thermal diffusivity of the liquid sample, the heattraveling time differs.However, low response speed and low sensitivity characteristics are drawbacks of thermalmeasurement methods, which are influenced by thermal properties of materials and structural design.To increase sensitivity of our flowmeter, we fabricated and designed the device using differentcomponent variables such as: size and thickness of RTD sensors, heating element, and glass tubethickness. Also, the flowmeter introduced in this work has two different types based on their size andthey enable large flow range measurement. Micro-flowmeter can measure flowrate less than 100μl/min and macro-flowmeter measures flowrate from 1 to 10 gallon per minute (GPM) of deionized(DI) water.In this work, we used a number of techniques to increase the functionality of our device. Bypasssystem enables to measure high range of flowrate. Also, we designed gravity-driven flowratecalibration system to generate accurate flowrates. Moreover, we developed flowrate monitoringsystem to improve the performance of calibration system

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

Non-silicon Microfabricated Nanostructured Chemical Sensors For Electric Nose Application

A systematic investigation has been performed for Electric Nose , a system that can identify gas samples and detect their concentrations by combining sensor array and data processing technologies. Non-silicon based microfabricatition has been developed for micro-electro-mechanical-system (MEMS) based gas sensors. Novel sensors have been designed, fabricated and tested. Nanocrystalline semiconductor metal oxide (SMO) materials include SnO2, WO3 and In2O3 have been studied for gas sensing applications. Different doping material such as copper, silver, platinum and indium are studied in order to achieve better selectivity for different targeting toxic gases including hydrogen, carbon monoxide, hydrogen sulfide etc. Fundamental issues like sensitivity, selectivity, stability, temperature influence, humidity influence, thermal characterization, drifting problem etc. of SMO gas sensors have been intensively investigated. A novel approach to improve temperature stability of SMO (including tin oxide) gas sensors by applying a temperature feedback control circuit has been developed. The feedback temperature controller that is compatible with MEMS sensor fabrication has been invented and applied to gas sensor array system. Significant improvement of stability has been achieved compared to SMO gas sensors without temperature compensation under the same ambient conditions. Single walled carbon nanotube (SWNT) has been studied to improve SnO2 gas sensing property in terms of sensitivity, response time and recovery time. Three times of better sensitivity has been achieved experimentally. The feasibility of using TSK Fuzzy neural network algorithm for Electric Nose has been exploited during the research. A training process of using TSK Fuzzy neural network with input/output pairs from individual gas sensor cell has been developed. This will make electric nose smart enough to measure gas concentrations in a gas mixture. The model has been proven valid by gas experimental results conducted

2017 GREAT Day Program

SUNY Geneseo’s Eleventh Annual GREAT Day.https://knightscholar.geneseo.edu/program-2007/1011/thumbnail.jp

Knowledge transfer in action : a study in the selection and interpretation of themes from history of science scholarship for museum exhibition

Imperial Users onl

Roadmap for Optical Tweezers 2023

Optical tweezers are tools made of light that enable contactless pushing, trapping, and manipulation of objects ranging from atoms to space light sails. Since the pioneering work by Arthur Ashkin in the 1970s, optical tweezers have evolved into sophisticated instruments and have been employed in a broad range of applications in life sciences, physics, and engineering. These include accurate force and torque measurement at the femtonewton level, microrheology of complex fluids, single micro- and nanoparticle spectroscopy, single-cell analysis, and statistical-physics experiments. This roadmap provides insights into current investigations involving optical forces and optical tweezers from their theoretical foundations to designs and setups. It also offers perspectives for applications to a wide range of research fields, from biophysics to space exploration

Electrochemically engineered anodic alumina Nanotubes: physico-chemical properties and Applications

Des del seu descobriment, l'alúmina anòdica porosa s’ha utilitzat com a recobriment protector. El descobriment de la seva estructura porosa va animar els investigadors a desenvolupar nous mètodes de fabricació d'alúmina, obtenint així geometries complexes de propietats diverses. En aquesta tesi es desenvolupen nanotubs d'alúmina anòdica (AANTs) mitjançant un procés d’anodització que es coneix com anodització per polsos. El procés consisteix a entrellaçar polsos de corrent de baixa (~6 mA/cm2) i alta (~290-390 mA/cm2) densitat. Un flux de corrent prou alt produeix un estrenyiment vertical dels porus i unions entre cel·les més febles. L'atac electroquímic selectiu i la sonicació en aigua de l'estructura resultant permeten produir col·loides de nanotubs. El primer objectiu d'aquesta tesi és una anàlisi exhaustiva del procés per comprendre millor el mecanisme de formació dels AANTs i relacionar les condicions d’anodització amb la seva geometria resultant. El segon objectiu és avaluar i optimitzar el seu postprocessat, investigant nous mètodes d'alteració de les seves propietats fisicoquímiques. L'últim objectiu és dissenyar i fabricar nanotubs i proposar les seves aplicacions. Aquest treball investiga l'evolució del perfil de l'alúmina en funció dels paràmetres d’anodització. A més, el corrent i el potencial del procés s'associen amb la geometria i les propietats dels nanotubs obtinguts: longitud, diàmetre intern i extern, potencial Z i tamany. En resum, un corrent més alt condueix a nanotubs més llargs i estrets amb menor càrrega superficial. S'avaluen i optimitzen les condicions de sonicació. Es demostra que el recuit a alta temperatura dels nanotubs té un impacte en la seva estructura cristal·lina i composició elemental. Posteriorment, els nanotubs es decoren electrostàticament amb nanopartícules magnètiques i es modifica el seu interior amb una proteïna marcada amb fluoròfor. Aquests col·loides magnètics han demostrat ser útils per a la detecció de la catepsina B, el que demostra la seva utilitat com a sensors.La anodización del aluminio tiene casi un siglo de historia. La alúmina anódica se utilizó inicialmente como recubrimiento protector, pero el desarrollo de la microscopía electrónica reveló la morfología porosa de este óxido. Este descubrimiento animó a los investigadores a desarrollar nuevos métodos de fabricación de la alúmina porosa, obteniendo así geometrías complejas con diversas propiedades. En esta tesis se desarrollan nanotubos de alúmina anódica (AANTs) a través de un proceso de anodización que se conoce como anodización por pulsos. El proceso consiste en entrelazar pulsos de corriente de baja (~ 6 mA / cm2) y alta (~ 290-390 mA / cm2) densidad. Un flujo de corriente suficientemente alto afecta a la formación de la estructura, resultando en un estrechamiento vertical de los poros y uniones entre celdas más débiles. El ataque electroquímico selectivo y la sonicación en agua de la estructura resultante permiten producir coloides de nanotubos. El primer objetivo de esta tesis es un análisis exhaustivo del proceso para comprender mejor el mecanismo de formación de los AANTs y conectar con precisión las condiciones de anodización con la geometría resultante de la estructura. El segundo objetivo es evaluar y optimizar su posprocesado, investigando nuevas posibilidades de alterar las propiedades fisicoquímicas de los AANT. El último objetivo es diseñar y fabricar nanotubos funcionales y proponer sus aplicaciones. Este trabajo investiga la evolución del perfil de anodización en función de las condiciones del proceso de anodización. Además, la corriente y el potencial del proceso se asocian con la geometría y las propiedades de los nanotubos obtenidos: longitud, diámetro interno y externo, potencial Z y dispersión de tamaño. En resumen, una corriente más alta conduce a nanotubos más largos y estrechos con una carga superficial más baja. Se evalúan las condiciones de sonicación proponiendo un conjunto de parámetros más óptimo. Se demuestra que el recocido a alta temperatura de los nanotubos tiene un impacto en su estructura cristalina y composición elemental: el aumento de temperatura produce una fracción cristalina más alta y disminuye su contenido de azufre. Posteriormente, los nanotubos se decoran electrostáticamente con nanopartículas de maghemita y se modifica su interior con una proteína marcada conMost of the time since its discovery, nanoporous anodic alumina was used as a protective coating. The intrinsic property revealed by the electron microscope – porosity – encouraged researchers to investigate new methods of porous alumina fabrication, obtaining complex geometries with various properties. In this thesis, anodic alumina nanotubes (AANTs) are developed through a carefully adjusted anodization process defined as pulse anodization. The process consists of interlacing current pulses of low (~6 mA/cm2) and high (~290-390 mA/cm2) density. Sufficiently high current flow affects the formation of the structure, resulting in vertical pore narrowings and weaker cell junctions. Selective acid etching and sonication in water enables to yield colloids of nanotubes. First aim of this thesis is a thorough analysis of the process to better understand the formation mechanism of AANTs and precisely connect anodization conditions with the resultant geometry of the structure. Second goal is to evaluate and optimize post-processing investigating further possibilities to alter physio-chemical properties of AANTs. Last objective is to design and fabricate functional nanotubes and propose their applications. This work reports the evolution of the anodization profile depending on the process conditions. Further, current and potential of the process are associated with the geometry and the properties of the obtained nanotubes: length, inner and outer diameter, z-potential and size dispersity. In brief, higher current leads to longer and narrower nanotubes with lower surface charge. Sonication conditions are evaluated leading to the proposal of a more optimal set of parameters. Annealing of the nanotubes is demonstrated to impact on their crystalline structure and elemental composition: temperature increase leads to higher crystalline fraction and decrease their sulfur content. Nanotubes are later electrostatically-decorated with maghemite nanoparticles and modified inside with a fluorophore labelled protein. These magnetically responsive colloids demonstrate stimuli-responsive detection of cathepsin B, supporting its utility as a sensor

アルミニウムと窒化ホウ素ナノチューブによる新規複合材料の開発

筑波大学 (University of Tsukuba)201

Compósitos CNTs/biocerâmico para a estimulação elétrica óssea in situ

Doutoramento em Ciência e Engenharia dos MateriaisThe present thesis aims to develop a biocompatible and electroconductor bone graft containing carbon nanotubes (CNTs) that allows the in situ regeneration of bone cells by applying pulsed external electrical stimuli. The CNTs were produced by chemical vapor deposition (CVD) by a semi-continuous method with a yield of ~500 mg/day. The deposition parameters were optimised to obtain high pure CNTs ~99.96% with controlled morphologies, fundamental requisites for the biomedical application under study. The chemical functionalisation of CNTs was also optimised to maximise their processability and biocompatibility. The CNTs were functionalised by the Diels-Alder cycloaddition of 1,3-butadiene. The biological behaviour of the functionalised CNTs was evaluated in vitro with the osteoblastic cells line MG63 and in vivo, by subcutaneous implantation in rats. The materials did not induce an expressed inflammatory response, but the functionalised CNTs showed a superior in vitro and in vivo biocompatibility than the non-functionalised ones. Composites of ceramic matrix, of bioglass (Glass) and hydroxyapatite (HA), reinforced with carbon nanotubes (CNT/Glass/HA) were processed by a wet approach. The incorporation of just 4.4 vol% of CNTs allowed the increase of 10 orders of magnitude of the electrical conductivity of the matrix. In vitro studies with MG63 cells show that the CNT/Glass/HA composites guarantee the adhesion and proliferation of bone cells, and stimulate their phenotype expression, namely the alkaline phosphate (ALP). The interactions between the composite materials and the culture medium (α-MEM), under an applied electrical external field, were studied by scanning vibrating electrode technique. An increase of the culture medium electrical conductivity and the electrical field confinement in the presence of the conductive samples submerged in the medium was demonstrated. The in vitro electrical stimulation of MG63 cells on the conductive composites promotes the increase of the cell metabolic activity and DNA content by 130% and 60%, relatively to the non-stimulated condition, after only 3 days of daily stimulation of 15 μA for 15 min. Moreover, the osteoblastic gene expression for Runx2, osteocalcin (OC) and ALP was enhanced by 80%, 50% and 25%, after 5 days of stimulation. Instead, for dielectric materials, the stimulus delivering was less efficient, giving an equal or lower cellular response than the non-stimulated condition. The proposed electroconductive bone grafts offer exciting possibilities in bone regeneration strategies by delivering in situ electrical stimulus to cells and consequent control of the new bone tissue formation rate. It is expected that conductive smart biomaterials might turn the selective bone electrotherapy of clinical relevance by decreasing the postoperative healing times.A presente tese tem como objetivo o desenvolvimento de um substituo ósseo condutor elétrico e biocompatível, formulado com nanotubos de carbono (CNTs), que permite a regeneração in situ do osso sob a aplicação externa de estímulos elétricos pulsados. Os CNTs foram produzidos por deposição química em fase de vapor (CVD) por um método semi-contínuo com um rendimento ~500 mg/dia. Os parâmetros de deposição foram otimizados de modo a obterem-se CNTs com elevada pureza ~99.96% e morfologias controladas, requisitos fundamentais para a aplicação biomédica em estudo. A funcionalização química dos CNTs foi igualmente otimizada para maximizar a sua processabilidade e biocompatíbilidade. Os CNTs foram funcionalizados pela reação de adição Diels-Alder de 1,3 butadieno. O comportamento biológico dos CNTs funcionalizados foi avaliado in vitro com a linha celular osteoblástica MG63 e in vivo, por implantação subcutânea em ratos. Os materiais não induziram uma resposta inflamatória manifesta, mas os CNTs funcionalizados apresentaram uma biocompatibilidade in vitro e in vivo superior aos não funcionalizados. Compósitos de matriz cerâmica, biovidro (Vidro) e hidroxiapatite (HA), reforçada com nanotubos de carbono (CNT/Vidro/HA), foram processados por via líquida. A incorporação de 4.4 vol% de CNTs permitiu um aumento de 10 ordens de grandeza da condutividade elétrica da matriz. Estudos in vitro com células MG63 mostraram que os compósitos de CNT/Vidro/HA garantem a adesão e proliferação das células ósseas, e estimulam a expressão do seu fenótipo, nomeadamente a fosfatase alcalina (ALP). As interações entre os materiais compósitos e o meio de cultura (α-MEM), sob a aplicação de um campo elétrico externo, foram estudadas pela técnica do eléctrodo vibratório de varrimento. Observou-se um aumento da condutividade elétrica do meio de cultura e do confinamento de campos elétricos na presença de amostras CNT/Vidro/HA submersas no meio, relativamente às de Vidro/HA. A estimulação elétrica in vitro das células MG63 nos compósitos condutores promoveu um aumento da actividade metabólica e do teor de DNA de 130% e 60%, relativamente à condição não estimulada, após apenas 3 dias de estimulação diária de 15 μA por 15 min. Além disso, a expressão genética osteoblástica para o Runx2, osteocalcina (OC) e ALP foi aumentada em 80 %, 50 % e 25 %, após 5 dias de estimulação. Por outro lado, para materiais dielétricos, a estimulação apresentou-se menos eficiente, originando uma resposta celular igual ou inferior à situação não estimulada. Os substitutos ósseos condutores elétricos permitem a entrega in situ dos estímulos às células e consequente controlo da taxa de crescimento do novo tecido ósseo. Estes novos biomateriais condutores funcionais poderão tornar a electroterapia selectiva do osso clinicamente relevante, ao possibilitarem a diminuição dos tempos pós-operatórios