15 research outputs found

    Modular integration and on-chip sensing approaches for tunable fluid control polymer microdevices

    Get PDF
    228 p.Doktore tesi honetan mikroemariak kontrolatzeko elementuak diseinatu eta garatuko dira, mikrobalbula eta mikrosentsore bat zehazki. Ondoren, gailu horiek batera integratuko dira likido emari kontrolatzaile bat sortzeko asmotan. Helburu nagusia gailuen fabrikazio arkitektura modular bat frogatzea da, non Lab-on-a-Chip prototipoak garatzeko beharrezko fase guztiak harmonizatuz, Cyclic-Olefin-Polymer termoplastikozko mikrogailu merkeak pausu gutxi batzuetan garatuko diren, hauen kalitate industriala bermatuz. Ildo horretan, mikrogailuak prototipotik produkturako trantsizio azkar, erraz, errentagarri eta arriskurik gabeen bidez lortu daitezkeenetz frogatuko da

    Development of a compact wireless SAW Pirani vacuum microsensor with extended range and sensitivity

    Get PDF
    Vakuumsensoren haben nach wie vor einen begrenzten Messbereich und erfordern eine aufwendige Verkabelung sowie eine komplexe Integration in Vakuumkammern. Ein kompakter Sensor, der in der Lage ist, den Erfassungsbereich zwischen Hochvakuum und Atmosphärendruck zu erweitern und dabei drahtlos zu arbeiten, ist äußerst wünschenswert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Simulation, der Herstellung und der experimentellen Validierung eines drahtlosen kompakten Vakuum-Mikrosensors mit erweiterter Reichweite und Empfindlichkeit. Zunächst wurde ein neuer Sensor unter Verwendung vorhandener und neu entwickelter Komponenten entworfen. Zweitens wurden die Sensorkomponenten simuliert, um ihre Parameter zu optimieren. Drittens wurde ein Prototyp unter Verwendung der verfügbaren Mikrobearbeitungs- und Halbleitertechnologien hergestellt und montiert. Viertens wurde der Prototyp unter Umgebungs- und Vakuumbedingungen charakterisiert, um seine Leistungen zu validieren. Für das Wandlerprinzip wurden zwei Techniken kombiniert, nämlich Pirani-Sensorik und akustische Oberflächenwellen. Das Design der Sensorkomponenten bestand aus vier Einheiten: Sensoreinheit, Heizeinheit, Abfrageeinheit und Gehäuse. Alle Einheiten wurden in einen kompakten Würfel eingebaut. Einige Komponenten wurden neu entwickelt, während andere gekauft, modifiziert und dann miteinander verbunden wurden. Die Sensoreinheit besteht aus einem neuen Chip mit verbesserter Sensorleistung dank eines optimierten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Die Heizeinheit wurde aus zwei induktiv gekoppelten Spulen und der zugehörigen Konditionierungselektronik zusammengesetzt. Die Abfrageeinheit wurde mit einer Mikro-Patch-Antenne hergestellt. Ein würfelförmiges Polymergehäuse wurde entwickelt, um alle Komponenten in einer Vakuumkammer unterzubringen. Zweitens wurde die Simulation des Verhaltens der Sensorkomponenten behandelt. Die für die Druckmessung verantwortliche Wärmeübertragung des Sensorchips wurde vom Hochvakuum bis zum Atmosphärendruck untersucht, um seine Abmessungen zu optimieren. Die Verwendung eines hängenden Lithium-Niobat-Chips mit Y-Z-Schnitt und einem TCF von 94 ppm/K führte zu einer verbesserten Leistung in einem Messbereich zwischen \num{d-4}~Pa und \num{e5}~Pa. Die elektronische Kopplung der Heizspulen wurde ebenfalls simuliert, um die Leistungsübertragung und den Kopplungsabstand zu optimieren. Der dritte Teil betrifft die Herstellungs- und Montageschritte des Prototyps unter Verwendung der verfügbaren Halbleitertechnologien und -ausrüstung. Ein SAW Chip wurde mit einer 100~nm dicken Goldschicht an der Unterseite gesputtert, um den Heizwiderstand zu bilden, und mit Hilfe von Drahtbonding elektrisch mit dem Rest des Sensors verbunden. Es wurde eine Leiterplatte vorbereitet, die die Heiz- und Sensoreinheit enthält. Ein kubisches Gehäusewurde aus PTFE hergestellt. Viertens wurden die Sensorkomponenten zunächst separat charakterisiert, um ihre Leistungen zu überprüfen, und dann zusammen unter Umgebungsbedingungen. Später wurde der Sensor im Vakuum integriert, und es wurde ein druckabhängiges Verhalten des Sensorchips beobachtet. Die Relevanz eines drahtlosen Übertragungsverfahrens wurde den herkömmlichen drahtgebundenen Methoden gegenübergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten außerhalb und innerhalb des Vakuums zeigten die Machbarkeit und Relevanz des neuen Konzepts

    Prototypenentwicklung eines oberflächen-integrierten Mikrosensor Systems für 3D Traktionskraftmessungen durch DHM/DIC

    Get PDF
    In times of a rapid development and growing market in robotics, high-tech protheses and the personalization of medicine, biomimicking natural materials like artificial tissue are of central interest within research and industry. To fully understand the structure-function relations within living systems, comprehensive knowledge about the smallest living block, the cell, and its biomechanics are a central topic in world-wide research. However, there is so far no comprehensive technique established that can measure 3D cell forces simultaneously and quantitatively. In this project, a novel surface-integrated mechano-optical microsensor system has therefore been conceptualized, prototyped and tested, which allows for the record of pico- to micronewton traction forces in three dimensions simultaneously. First, adequate microsensor elements were designed via topology optimization and linear static finite element analysis. These designs were fabricated by micromachining processes of biocompatible thin films of nickel-titanium and amorphous silicon. Furthermore, a plasma etching process was developed to fabricate polydimethylsiloxane sensor elements. For accurate and quantitative traction force measurements, AFM cantilever based calibrations of the out-of-plane and in-plane sensor element spring constants were established. For the first time, a diamagnetic levitation force calibrator was used as an adequate pre-calibration method for the sensor elements with a high accuracy of 1 %. For the cost-efficient, simple, compact, variable and sensitive mechano-optical readout, a setting was conceptualized and tested based on the combination of digital holography and digital image correlation. To control cell adhesion, a high-throughput micro-nano structuring method was developed based on the fusion of ink-jet printing with the established method of diblock-copolymer micelle nanolithography.In Zeiten schneller Entwicklung und wachsender Märkte in der Robotik, der high-tech Prothetik und der personalisierten Medizin ist die Biomimetik natürlicher Materialien wie beispielsweise künstliche Haut von zentralem Interesse in Forschung und Industrie. Um die Struktur-Funktions-Beziehungen in lebenden Systemen umfassend zu verstehen ist die umfangreiche Wissenserweiterung hinsichtlich des kleinsten lebenden Bausteins, der Zelle, und seiner Biomechanik Gegenstand weltweiter Forschungsprojekte. Dennoch gab es bis jetzt keine Methode, die 3D Zellkräfte simultan und quantitativ messen kann. In diesem Projekt wurde ein neuartiges, oberflächen-integriertes, mechano-optisches Mikrosensorsystem konzeptioniert, prototypisiert und getestet, das die Messung piko-bis mikronewton kleiner Zugkräfte gleichzeitig in alle drei Dimensionen ermöglicht. Die Sensorelemente wurden mittels Topologieoptimierung und linear statischer Finite Elementanalyse konzipiert. Diese Designs wurden in Mikromaterialbearbeitungsprozessen aus biokompatiblen Nickel-Titan und amorphen Silizium-Dünnschschichten hergestellt. Desweiteren wurde ein Prozess entwickelt, um Polydimethylsiloxan basierte Sensorelemente herzustellen. Für genaue, quantitative Zugkraftmessungen wurden AFM-Cantilever basierte Kalibrierungen der axialen und lateralen Sensorelement-Federkonsten etabliert. Zum ersten Mal wurde dabei ein diamagnetischer Levitationskraftkalibrator mit einer Genauigkeit von 1% als geeignete Kalibrierungsmethode für die Sensorelemente genutzt. Für eine günstige, einfache, kompakte, variable und im Nanometerbereich empfindliche mechano-optische Datenauslesung wurde ein Aufbau konzeptioniert und getestet, in dem digitale Holographie und digitale Bildkorrelation kombiniert werden. Zur Zell-Adhäsionskontrolle wurde eine Hochdurchsatz-Mikro-Nanostrukturierungsmethode entwickelt, die auf der Kombination von Ink-Jet Drucken mit der etablierten Methode der Diblock-Copolymer Mizellen Nanolithographie basiert

    MME2010 21st Micromechanics and Micro systems Europe Workshop : Abstracts

    Get PDF

    The influence of invertebrate and microbial cross-community interactions on the nitrate removal function in the hyporheic zone

    Get PDF
    L'objectif de cette étude est de mieux comprendre comment la biodiversité influence le service de purification de la qualité de l'eau en tant que service de régulation capable de limiter la charge en polluants de l'eau naturelle. Peu d'études ont regardé comment les invertébrés (macro- et méio-faune) sont capables d'influencer le fonctionnement de la zone hyporhéique considérée, comme un réacteur biogéochimique contribuant largement au recyclage des nutriments. L'élimination du nitrate et la dénitrification sont utilisés comme indicateur de ce service dans les rivières afin de pouvoir suivre son évolution spatiale et temporelle. Dans cette thèse, la relation fonctionnelle entre le taux de réduction des nitrates et les organismes participant à l'expression de ce service est testée à différentes échelles d'étude allant du microcosme jusqu'à l'habitat hyporhéique d'un méandre de large rivière, la Garonne. Cette relation est mise en évidence dans une série de colonnes d'infiltration reproduisant le lit de rivière avec sa communauté benthique (projet Inbioprocess). Dans cette expérience, un gradient de biodiversité a été créé avec des combinaisons de communautés +/- biofilm, +/- méiofaune et +/- macrofaune pour tester leur influence sur l'élimination du nitrate avec et sans pesticides dans le cadre du projet Inbioprocess. Les résultats suggèrent l'influence des interactions entre communautés, sur le taux de réduction des nitrates qui est supérieur quand les invertébrés sont présents (11.8 ± 1.2) par comparaison avec les conditions sans invertébrés (7.7 ± 1.4 mg N l-1d-1 ; moyenne ± erreur standard (m ± ET)). Ces interactions ont également été suggérées comme favorisant le retour de la capacité de réduction des nitrates en présence de pesticides, utilisé comme source de stress, dans l'eau des microcosmes. Ces résultats de laboratoire montrent l'influence des interactions trophiques et non trophiques entre les différents niveaux trophiques de ce réseau, avec probablement l'implication des espèces les plus résistantes pour expliquer la capacité potentielle de résilience du système. L'existence de cette relation fonctionnelle de type "top-down" a ensuite été explorée en conditions in situ. Les taux de rétention mesurés dans 9 cours d'eau européens (projet STREAMES) ont été estimés à l'échelle du tronçon de rivière à 1.64 ± 2.39 (m ± ET) mg NO3--N m-2.min-1. L'influence des communautés d'invertébrés sur le taux de réduction des nitrates se révèle statistiquement comme aussi importante que celle des facteurs physicochimiques dans l'ensemble des tronçons explorés. L'étude des traits biologiques des communautés d'invertébrés a permis de préciser le type de communauté le plus corrélé aux processus d'élimination des nitrates. Ces organismes sont majoritairement interstitiels vivant dans les sédiments grossiers et avec des modes d'alimentation de type brouteurs de biofilm. Dans la zone hyporhéique de la zone humide alluviale de Monbéqui (projet Attenagua), la corrélation positive de la communauté d'invertébrés avec le taux de dénitrification a été seulement visible pendant automne. Cette période est considérée comme un moment propice pour l'observation de la relation diversité-fonction dans ce milieu. Ce moment arrive après une longue période de stabilité hydrologique et de faible débit dans la zone hyporhéique, quand les effets biologiques dépassent alors le contrôle exercé par l'hydrologie. Dans ce méandre, des gradients spatiaux de diversité d'invertébrés (Shannon de 0,6± 0.06 à 1,25 ± 0.1; m ± ET), du taux de dénitrification potentielle (de 0,5 ± 0, 14 à 13,6 ± 4,0 µg N2O-N h-1.g OM-1), de l'oxygène dissous, et des concentrations de carbone organique dissous, nitrate, et ammonium ont été enregistrés. Ces gradients permettent d'identifier les zones propices à l'expression de cette relation biodiversité - fonctions de l'écosystème (BEF) au niveau la ripisylve où la diversité des invertébrés et les taux de dénitrification sont élevés et sous faibles pressions des pesticides agricoles. Enfin une corrélation positive générale a été trouvé sur l'ensemble des saisons entre les compositions des communautés microbiennes et invertébrées. Finalement, ce travail a permis de démontrer l'existence d'une possible relation positive entre la diversité des communautés d'invertébrés, en terme de niveaux trophiques impliqués, et la fonction de réduction des nitrates dans la communauté d'eau souterraine, comme dans les tronçons de cours d'eau. L'influence de la diversité de méiofaune comme celle de la macrofaune sur le métabolisme et la diversité microbienne du biofilm est soulignée pour la régulation de la fonction de réduction des nitrates dans les sédiments des petits cours d'eau et dans la zone hyporhéique d'une rivière.This PhD study aims to understand how the biodiversity influences the water purification processes in the hyporheic zone of running water, as an important regulating service that reduces the quantity of pollutants in freshwater ecosystems. Few studies have focused on how the invertebrate community influences the functioning of hyporheic zones, which are considered as a biogeochemical reactor that largely contributes to nutrient cycling capacity of the rivers. Nitrate retention or denitrification functions in hyporheic zones are used as indicators for the water purification service. The relationship between the nitrate removal function and its associated biodiversity was tested at different scales from indoor microcosms to in-stream reaches and the hyporheic habitat of a large river (Garonne) meander, under natural and stressful conditions. First, the linkage between invertebrates and the nitrate (NO3-) removal function was given in evidence in a series of infiltration columns that mimicked the riverbed conditions with its benthic communities. A gradient of community diversity was created with biofilm, meiofauna and macrofauna communities' combination in different treatments. It enabled to test the influence of the invertebrate community on the NO3- removal rates with and without pesticides during the Inbioprocess project. The results implied the influence of invertebrate and microbial cross-community interactions on NO3- removal rates, which was higher with invertebrate communities in the sediments (11.8 ± 1.2) than without (7.7 ± 1.4 mg N.l-1.d-1). These findings suggested a top-down control of invertebrates on the microbial activities. These interactions were also depicted at the source of the recovery of the NO3- removal capacity when facing stressful conditions due to addition of pesticide in the experimental water. These laboratory findings highlighted the importance of multi-trophic level interactions in the hyporheic habitat, with probable implication of the more resistant species in the resilience capacity of this system. The occurrence of the top-down linkage was then explored in in situ habitats. The NO3- removal rates measured at the reach scale in 9 European streams during the STREAMES project ranged from 0.04 to 10.75 with an average of 1.64 ± 2.39 mg NO3--N m-2.min-1 (Mean ± SE). The results suggested that not only physico-chemical and hydrological factors, but also macro-invertebrate assemblages may influence nitrate removal. Some functional groups positively correlated with nitrate reduction were biofilm grazers and interstitial organisms associated with macro-porous substrate. In the hyporheic water of Monbequi meander of the Garonne river, the positive correlation between invertebrate diversity and the potential denitrification rates was only visible during the autumn season, suggesting a potential "hot moment" for the observation of this correlation between biodiversity and ecosystem function in fields. This moment occurs after a long period of hydrological stability and low discharge, when the biological effects might overweight hydrological effects on ecosystem functions. In this meander, significant spatial gradients of invertebrate diversity (Shannon ranging from 0.6± 0.06 to 1.25 ± 0.1), potential denitrification rates (ranging from 0.5 ± 0.14 to 13.6 ± 4.0 µg N2O-N h-1.g OM-1), dissolved oxygen, dissolved organic carbon, ammonium ion and nitrate concentrations, and conductivity were recorded. They permit to identify "hot places" for high biodiversity and denitrification rates, with low pesticide pressure and under the riparian forest. An overall positive correlation between invertebrates and bacterial community compositions was found over the four seasons. Overall, this work shows the existence of the positive relationship between the interactions of invertebrate and microbial cross-community in terms of the trophic level composition and the function of nitrate removal. The relevance of the meiofauna and macrofauna for the nitrate reduction function was highlighted in the hyporheic zone of meanders and riverbed sediments of stream reaches

    EUROSENSORS XVII : book of abstracts

    Get PDF
    Fundação Calouste Gulbenkien (FCG).Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

    Microwave resonant sensors

    Get PDF
    Microwave resonant sensors use the spectral characterisation of a resonator to make high sensitivity measurements of material electromagnetic properties at GHz frequencies. They have been applied to a wide range of industrial and scientific measurements, and used to study a diversity of physical phenomena. Recently, a number of challenging dynamic applications have been developed that require very high speed and high performance, such as kinetic inductance detectors and scanning microwave microscopes. Others, such as sensors for miniaturised fluidic systems and non-invasive blood glucose sensors, also require low system cost and small footprint. This thesis investigates new and improved techniques for implementing microwave resonant sensor systems, aiming to enhance their suitability for such demanding tasks. This was achieved through several original contributions: new insights into coupling, dynamics, and statistical properties of sensors; a hardware implementation of a realtime multitone readout system; and the development of efficient signal processing algorithms for the extraction of sensor measurements from resonator response data. The performance of this improved sensor system was verified through a number of novel measurements, achieving a higher sampling rate than the best available technology yet with equivalent accuracy and precision. At the same time, these experiments revealed unforeseen applications in liquid metrology and precision microwave heating of miniature flow systems.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

    Microfluidics and Nanofluidics Handbook

    Get PDF
    The Microfluidics and Nanofluidics Handbook: Two-Volume Set comprehensively captures the cross-disciplinary breadth of the fields of micro- and nanofluidics, which encompass the biological sciences, chemistry, physics and engineering applications. To fill the knowledge gap between engineering and the basic sciences, the editors pulled together key individuals, well known in their respective areas, to author chapters that help graduate students, scientists, and practicing engineers understand the overall area of microfluidics and nanofluidics. Topics covered include Finite Volume Method for Numerical Simulation Lattice Boltzmann Method and Its Applications in Microfluidics Microparticle and Nanoparticle Manipulation Methane Solubility Enhancement in Water Confined to Nanoscale Pores Volume Two: Fabrication, Implementation, and Applications focuses on topics related to experimental and numerical methods. It also covers fabrication and applications in a variety of areas, from aerospace to biological systems. Reflecting the inherent nature of microfluidics and nanofluidics, the book includes as much interdisciplinary knowledge as possible. It provides the fundamental science background for newcomers and advanced techniques and concepts for experienced researchers and professionals

    Micro/Nano Structures and Systems

    Get PDF
    Micro/Nano Structures and Systems: Analysis, Design, Manufacturing, and Reliability is a comprehensive guide that explores the various aspects of micro- and nanostructures and systems. From analysis and design to manufacturing and reliability, this reprint provides a thorough understanding of the latest methods and techniques used in the field. With an emphasis on modern computational and analytical methods and their integration with experimental techniques, this reprint is an invaluable resource for researchers and engineers working in the field of micro- and nanosystems, including micromachines, additive manufacturing at the microscale, micro/nano-electromechanical systems, and more. Written by leading experts in the field, this reprint offers a complete understanding of the physical and mechanical behavior of micro- and nanostructures, making it an essential reference for professionals in this field
    corecore