Hemodynamic effects of a dielectric elastomer augmented aorta on aortic wave intensity: An in-vivo study

Dielectric elastomer actuator augmented aorta (DEA) represents a novel approach with high potential for assisting a failing heart. The soft tubular device replaces a section of the aorta and increases its diameter when activated. The hemodynamic interaction between the DEA and the left ventricle (LV) has not been investigated with wave intensity (WI) analysis before. The objective of this study is to investigate the hemodynamic effects of the DEA on the aortic WI pattern. WI was calculated from aortic pressure and flow measured in-vivo in the descending aorta of two pigs implanted with DEAs. The DEAs were tested for different actuation phase shifts (PS). The DEA generated two decompression waves (traveling upstream and downstream of the device) at activation followed by two compression waves at deactivation. Depending on the PS, the end-diastolic pressure (EDP) decreased by 7% (or increased by 5–6%). The average early diastolic pressure augmentation (P_dia) increased by 2% (or decreased by 2–3%). The hydraulic work (W_H) measured in the aorta decreased by 2% (or increased by 5%). The DEA-generated waves interfered with the LV-generated waves, and the timing of the waves affected the hemodynamic effect of the device. For the best actuation timing the upstream decompression wave arrived just before aortic valve opening and the upstream compression wave arrived just before aortic valve closure leading to a decreased EDP, an increased P_dia and a reduced W_H

A novel soft cardiac assist device based on a dielectric elastomer augmented aorta: an in vivo study

Although heart transplant is the preferred solution for patients suffering from heart failures, cardiac assist devices remain key substitute therapies. Among them, aortic augmentation using dielectric elastomer actuators (DEAs) might be an alternative technological application for the future. The electrically driven actuator does not require bulky pneumatic elements (such as conventional intra-aortic balloon pumps) and conforms tightly to the aorta thanks to the manufacturing method presented here. In this study, the proposed DEA-based device replaces a section of the aorta and acts as a counterpulsation device. The feasibility and validation of in vivo implantation of the device into the descending aorta in a porcine model, and the level of support provided to the heart are investigated. Additionally, the influence of the activation profile and delay compared to the start of systole is studied. We demonstrate that an activation of the DEA just before the start of systole (30 ms at 100 bpm) and deactivation just after the start of diastole (0-30 ms) leads to an optimal assistance of the heart with a maximum energy provided by the DEA. The end-diastolic and left ventricular pressures were lowered by up to 5% and 1%, respectively, compared to baseline. The early diastolic pressure was augmented in average by up to 2%

Control of the frequency of the electromechanical resonators MEMS

A l’heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às’imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l’oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d’unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d’un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C’est donc cet écart que nous tenterons d’adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l’échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l’erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu’il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L’analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d’amélioration pourétablir une voie vers l’industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s’assurer qu’ellen’augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl’intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même.Present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential ineveryday technology products. Thanks to their size, performances andintegration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification ofthe famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segmentwhere MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is thenumber one product on the market, a market estimated at 17 billions dollars, thanks to afrequency stability of a few parts per million over its lifetime.Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions,the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. Wewill try to address this difference.In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This methodconsists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify theshift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing thefrequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, wehave developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives.Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 17 steps and2 photolithographic masks starting with a SOI wafer. This process has enabled theproduction of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsicperformances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and ourphysical models thanks to electrical characterization of our devices.Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish aroute to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focusedon the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances.Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must bedetailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partiallystudied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particularkeeping the specifications of the resonator itself

Compensation de la fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence temps

Present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential ineveryday technology products. Thanks to their size, performances andintegration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification ofthe famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segmentwhere MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is thenumber one product on the market, a market estimated at 17 billions dollars, thanks to afrequency stability of a few parts per million over its lifetime.Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions,the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. Wewill try to address this difference.In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This methodconsists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify theshift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing thefrequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, wehave developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives.Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 17 steps and2 photolithographic masks starting with a SOI wafer. This process has enabled theproduction of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsicperformances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and ourphysical models thanks to electrical characterization of our devices.Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish aroute to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focusedon the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances.Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must bedetailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partiallystudied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particularkeeping the specifications of the resonator itself.A l’heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às’imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l’oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d’unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d’un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C’est donc cet écart que nous tenterons d’adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l’échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l’erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu’il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L’analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d’amélioration pourétablir une voie vers l’industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s’assurer qu’ellen’augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl’intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même

Compensation de la fréquence des résonateurs MEMS pour des applications de référence temps

A l heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C est donc cet écart que nous tenterons d adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d amélioration pourétablir une voie vers l industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s assurer qu ellen augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même.Present, Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) have become essential ineveryday technology products. Thanks to their size, performances andintegration, resonant microsystems have been enrolled in the diversification ofthe famous Moore's Law. However, the time based applications remain the market segmentwhere MEMS are unable to settle permanently. Indeed, the oscillator-based Quartz is thenumber one product on the market, a market estimated at $ 17 billions, thanks to afrequency stability of a few parts per million over its lifetime.Given the link between the frequency of a MEMS resonator and its intrinsic dimensions,the various manufacturing steps induce a shift of this frequency from the target value. Wewill try to address this difference.In this context, we proposed a new method of correction across the wafer. This methodconsists of a final technological step after a first electrical measurement to quantify theshift. We will show that it is possible in one step, to reduce the Gaussian representing thefrequency variation within the wafer to a few parts per million. From this perspective, wehave developed two physical models that quantify the correction to achieve the objectives.Moreover, we set up a manufacturing process CMOS compatible with only 17 steps and2 photolithographic masks starting with a SOI wafer. This process has enabled theproduction of flexural mode resonators and bulk mode resonators, whose intrinsicperformances (f, Q) can compete with Quartz. Finally, we validated our concept and ourphysical models thanks to electrical characterization of our devices.Analysis of the results allowed us to develop a list of possible improvements to establish aroute to the industrialization of MEMS resonators. First, special attention will be focusedon the choice of substrate and the technology used to ensure perfect performances.Correction method requires a preliminary electrical measurement, this step must bedetailed and one have to ensure that it does not increase the overall cost. Although partiallystudied, the packaging of MEMS and integration are the points to consider in particularkeeping the specifications of the resonator itself.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Equivalent Piezoelectric Actuator Circuits and Comparison

Equivalent piezoelectric actuator circuit is necessary for certain applications. Previous models have limits and are not accurate on modelling the real part of piezo impedance at low frequency range. A simple inverse proportional to frequency model is proposed and experimentally validated. The comparison with other models show also it is the most robust model

Towards the material limit and field concentration smoothing in multilayer dielectric elastomer actuators

Performance of dielectric elastomer actuators is closely related to its breakdown field. On the other hand, to enhance the available energy, multilayer configuration is needed to increase the amount of active material. However, multilayer configuration suffers from a drastic reduction of the affordable electric field related to field concentration at edges. After showing how the conductivity of the air helps to smooth the field in a single layer configuration, this effect has been mimicked in the multilayer by adding carbon particles in a thin silicone layer around the electrode. A change in the electric properties around the edges reduces the local concentration of the electric field and allows a significant improvement of the voltage breakdown in the multilayer structure. Therefore, the performance of multilayer has been considerably enhanced

Sensorless Position Detection Framework for a Multi-state Switched Reluctance Actuator of a Textile Machine

Sensorless needle position detection for the actuator of a textile machine is challenging because of its multi current levels used and the transient state when the current changes. A local regression method can be used to represent the variation of inductance via the measurement of the current through the actuator while the keys pass the selection area of the actuator. By calculating its correlation with a mother function, the position of the needle can be obtained. A Kalmen filter is added at the end to compensate discretisation errors. The experimental results with different working speed have validated the proposed sensorless detection method

Experimental Study of Non-Ideal Phenomena Affecting Magneto-Rheological Elastomers Piezoresistivity

Magneto-Rheological Elastomers (MREs) represent emerging composite materials consisting of small magnetic particles dispersed in a highly elastic polymeric matrix. Particles interactions with external fields (magnetic and electric) and external stresses result in a variation of rheological and physical properties of the material. In particular, MRE samples exhibit piezoresistivity, i.e. a change in the intrinsic material resistivity if subjected to an external stress. While literature reports experimental sessions aimed to establish the MREs piezoresistive characteristics and sensing capabilities, tests assessing the presences of hysteresis and cyclic drifts for multiple loading/unloading cycles of the MREs are not diffused. Nevertheless, these information are crucial to establish the quality and reliability of a sensing system. The presented work addresses the investigation of such parasitic phenomena for different MRE samples in order to assess their existence and relevance, to provide a more detailed and comprehensive description of the MRE piezoresistive effect as well as to enlighten further important elements useful to determine the possibility of using such materials for the realization of force or pressure sensors