Differential temperature sensors: Review of applications in the test and characterization of circuits, usage and design methodology

Differential temperature sensors can be placed in integrated circuits to extract a signature ofthe power dissipated by the adjacent circuit blocks built in the same silicon die. This review paper firstdiscusses the singularity that differential temperature sensors provide with respect to other sensortopologies, with circuit monitoring being their main application. The paper focuses on the monitoringof radio-frequency analog circuits. The strategies to extract the power signature of the monitoredcircuit are reviewed, and a list of application examples in the domain of test and characterizationis provided. As a practical example, we elaborate the design methodology to conceive, step bystep, a differential temperature sensor to monitor the aging degradation in a class-A linear poweramplifier working in the 2.4 GHz Industrial Scientific Medical—ISM—band. It is discussed how,for this particular application, a sensor with a temperature resolution of 0.02 K and a high dynamicrange is required. A circuit solution for this objective is proposed, as well as recommendations for thedimensions and location of the devices that form the temperature sensor. The paper concludes with adescription of a simple procedure to monitor time variability.Postprint (published version

Concepts for Short Range Millimeter-wave Miniaturized Radar Systems with Built-in Self-Test

This work explores short-range millimeter wave radar systems, with emphasis on miniaturization and overall system cost reduction. The designing and implementation processes, starting from the system level design considerations and characterization of the individual components to final implementation of the proposed architecture are described briefly. Several D-band radar systems are developed and their functionality and performances are demonstrated

Remote measurements of ozone, water vapor and liquid water content, and vertical profiles of temperature in the lower troposphere

Several advanced atmospheric remote sensing systems developed at the Jet Propulsion Laboratory were demonstrated under various field conditions to determine how useful they would be for general use by the California Air Resources Board and local air quality districts. One of the instruments reported on is the Laser Absorption Spectrometer (LAS). It has a pair of carbon dioxide lasers with a transmitter and receiver and can be flown in an aircraft to measure the column abundance of such gases as ozone. From an aircraft, it can be used to rapidly survey a large region. The LAS is usually operated from an aircraft, although it can also be used at a fixed location on the ground. Some tests were performed with the LAS to measure ozone over a 2-km horizontal path. Another system reported on is the Microwave Atmospheric Remote Sensing System (MARS). It is tuned to microwave emissions from water vapor, liquid water, and oxygen molecules (for atmospheric temperature). It can measure water vapor and liquid water in the line-of-sight, and can measure the vertical temperature profile

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Multiplexed Photometry And Fluorimetry Using Multiple Frequency Channels

ABSTRACT MULTIPLEXED PHOTOMETRY AND FLUORIMETRY USING MULTIPLE FREQUENCY CHANNELS by KHALED M. DADESH August 2013 Advisor: Dr. Amar Basu Major: Electrical Engineering Degree: Doctor of Philosophy Multispectral photometry and fluorimetry are useful for quantifying and distinguishing samples during flow injection analysis, flow cytometry, and ratiometric absorbance measurement. However, multispectral detectors, including spectrometers, typically require arrayed or multiple light detectors, optical components, and path alignments, all of which increases the size and cost of the detection system. Several previous efforts have attempted the use of time division multiplexing or frequency division multiplexing (FDM) techniques to minimize both size and cost of multispectral photometry equipment by using only a single light detector. Although many of these designs achieved low cost, they generally operated at \u3c50 KHz, which limited the detection speed of the overall system. An alternative frequency multiplexing design operated at 3MHz; however, it required electro optical modulators [50], which are too expensive and bulky for portable applications. In contrast to both approaches, the objective of this research is to use frequency division multiplexing to perform multispectral photometry and fluorimetry while achieving both low cost and high frequency operation (up to 100 MHz). The multiplexing is performed electronically using low cost optoelectronic sources, a single light detector, and a single high-throughput interrogation window. It enables us to perform multi-parameter biological analysis at lower costs and less complexity. Multiple monochromatic light sources, each with a unique wavelength, are electronically modulated at distinct frequencies, and their combined light emission is directed to the sample detection cell. The light transmitted by the sample (absorbance mode) or emitted by the sample (fluorescence mode) is directed to a single light detector. The received light is then converted to a voltage signal and demodulated into the frequency channels using phase-sensitive electronics. Each recovered channel therefore provides either absorbance or fluorescence at its respective optical wavelength. The system is designed to operate at high speed in order to be used in high throughput detectors such as flow cytometers. As a proof of concept, we apply the FDM technique in two detection systems: 1) a three-color absorbance photometry detector and 2) a two-color laser induced fluorescence (LIF) detector. In the first system, three LEDs are operated with 150 KHz, 200 KHz, and 250 KHz modulation frequencies, and the system achieves a 1 ms measurement time constant at an overall component cost \u3c$10. We perform absorbance photometry of four different organic dyes in flow injected solutions and in discrete droplet microreactors with throughputs in the 10\u27s of samples per second. In both cases, the system is able to simultaneously discriminate between them [13]. In the LIF system, first two laser diodes operated at 1 KHz and 1.5 KHz, respectively, are used to excite fluorophores at the respective frequencies. This system is able to distinguish low speed (1 drop/sec) water-in-oil droplets containing fluorescein or rhodamine-6G generated in a microfluidic junction. Second two laser diodes operated at 25MHz and 40 MHz, respectively, are controlled using a developed high frequency FDM system to excite Fluorescein and Alexa 680 dyes at the respective frequencies. Because of the high frequency operation, this system is able to distinguish alternating high speed (300 drops/sec) droplets containing the two fluorescent dyes. In both case, the developed In previous experiments we use an inverted fluorescence microscope with a specific optical cube to excite dyes and collect fluorescence signals. These two FDM-LIF systems identify the different fluorophores based on their excitation frequency rather than their emission band, giving it a unique ability to distinguish fluorophores with overlapping emission spectra. However, overlapping excitation spectra is a problem in the FDM-LIF system, and any assay has to be prepared using fluorophores with minimal excitation overlap. Therefore, fluorophores with sharp excitation lines such as lanthanide ions are the best candidate material in use with FDM-LIF system. The system uses high frequency (100 MHz) modulation which enables multiplexed time constants on the order of 1 µs. Achieving this high bandwidth allow us to apply the system towards high throughput analysis such as cell cytometry, where it could substantially reduce cost and size of the system. Therefore, the FDM-LIF system is installed in an old BD bioscience cytometer, which is available in the cell cytometry laboratory in Karmanos Cancer Research Center (KCRC) located at Detroit Medical Center (DMC). A biological assay containing Alexa Fluor® 680 Goat Anti-Mouse IgG (H+L) and Alexa Fluor® 430 Goat Anti-Mouse IgG (H+L) with BDTM CompBead Anti-mouse Ig, κ beads is tested using the FDM-LIF system. The system is capable to count the two different antigens simultaneously, which gives the possibility of incorporating this system in cytometers. This technology promises to reduce cost and complexity of future cytometers

Detecting Structural Defects Using Novel Smart Sensory and Sensor-less Approaches

Monitoring the mechanical integrity of critical structures is extremely important, as mechanical defects can potentially have adverse impacts on their safe operability throughout their service life. Structural defects can be detected by using active structural health monitoring (SHM) approaches, in which a given structure is excited with harmonic mechanical waves generated by actuators. The response of the structure is then collected using sensor(s) and is analyzed for possible defects, with various active SHM approaches available for analyzing the response of a structure to single- or multi-frequency harmonic excitations. In order to identify the appropriate excitation frequency, however, the majority of such methods require a priori knowledge of the characteristics of the defects under consideration. This makes the whole enterprise of detecting structural defects logically circular, as there is usually limited a priori information about the characteristics and the locations of defects that are yet to be detected. Furthermore, the majority of SHM techniques rely on sensors for response collection, with the very same sensors also prone to structural damage. The Surface Response to Excitation (SuRE) method is a broadband frequency method that has high sensitivity to different types of defects, but it requires a baseline. In this study, initially, theoretical justification was provided for the validity of the SuRE method and it was implemented for detection of internal and external defects in pipes. Then, the Comprehensive Heterodyne Effect Based Inspection (CHEBI) method was developed based on the SuRE method to eliminate the need for any baseline. Unlike traditional approaches, the CHEBI method requires no a priori knowledge of defect characteristics for the selection of the excitation frequency. In addition, the proposed heterodyne effect-based approach constitutes the very first sensor-less smart monitoring technique, in which the emergence of mechanical defect(s) triggers an audible alarm in the structure with the defect. Finally, a novel compact phased array (CPA) method was developed for locating defects using only three transducers. The CPA approach provides an image of most probable defected areas in the structure in three steps. The techniques developed in this study were used to detect and/or locate different types of mechanical damages in structures with various geometries

Feasibility Study of a W-Band Multibeam Heterodyne Receiver for the Gregorian Focus of the Sardinia Radio Telescope

We report on the feasibility study of a W-band multibeam heterodyne receiver for the Sardinia Radio Telescope (SRT), a general purpose fully steerable 64-m diameter antenna located on the Sardinia island, Italy, managed by INAF ('Istituto Nazionale di Astrofisica,' Italy). The W-band front-end is designed for the telescope Gregorian focal plane and will detect both continuum and molecular spectral lines from astronomical sources and radio emission from the Sun in the 3 mm atmospheric window. The goal specification of the receiver is a $4\times 4$ focal plane array operating in dual-linear polarization with a front-end consisting of feed-horns placed in cascade with waveguide Orthomode Transducers (OMTs) and LNAs (Low Noise Amplifiers) cryogenically cooled at $\approx$ 20 K. The instantaneous FoV (Field of View) of the telescope is limited by the shaping of the 64-m primary and 7.9-m secondary mirrors. The cryogenic modules are designed to fit in the usable area of the focal plane and provide high-quality beam patterns with high antenna efficiency across the 70 - 116 GHz Radio Frequency (RF) band. The FoV covered by the $4\times 4$ array is $2.15\times 2.15$ arcmin2, unfilled, with separation between contiguous elements of 43 arcsec. Dual-sideband separation (2SB) down-conversion mixers are designed to be placed at the cryostat output and arranged in four four-pixel down-conversion modules with 4 - 12 GHz Intermediate Frequency (IF) bands (both Upper Side Band and Lower Side Band selectable for any pixel and polarization). The receiver utilizes a mechanical derotator to track the parallactic angle

Fiber Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Air Platforms

Aircraft operators are faced with increasing requirements to extend the service life of air platforms beyond their designed life cycles, resulting in heavy maintenance and inspection burdens as well as economic pressure. Structural health monitoring (SHM) based on advanced sensor technology is potentially a cost-effective approach to meet operational requirements, and to reduce maintenance costs. Fiber optic sensor technology is being developed to provide existing and future aircrafts with SHM capability due to its unique superior characteristics. This review paper covers the aerospace SHM requirements and an overview of the fiber optic sensor technologies. In particular, fiber Bragg grating (FBG) sensor technology is evaluated as the most promising tool for load monitoring and damage detection, the two critical SHM aspects of air platforms. At last, recommendations on the implementation and integration of FBG sensors into an SHM system are provided