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2007-2008
TRAVAUX DE MASTERprésentés dans la section de microtechnique
Sélection non exhaustive
MicrotechniqueSection de
LISTE DES PROJETS
Assemblage de microchips............................................................................................................................................. 4
Grégory AFFOLTER
Conception et développement d’un système de Sun Tracking pour centrale solaire..................................................... 5
Maxime BAILLIFARD
Fabrication et test d’un capteur de pression implantable pour souris ............................................................................ 6
Jean-Matthieu BELZUNG
Design of a Fully Differential Cyclic ADC ................................................................................................................... 7
Lysandre-Edouard BONJOUR
Detection and visualisation of surfaces measured by low coherence interferometry .................................................... 8
Daniel BOSS
Image Processing Algorithms for Resolution Enhancement.......................................................................................... 9
Aurélien BOURQUARD
Shielded Actuation System for fMRI-Based Neuroscience Studies ............................................................................ 10
Carol JORDI CAMPOS
MOX gas sensors on polyimide ................................................................................................................................... 11
Michael CANONICA
Analyse des conditions à réunir pour simplifier la gamme d’assemblage de roulements de haute précision ............. 12
Julien CHASSOT
Rotor/Bearing System Identification and Model Validation........................................................................................ 13
Vincent CHENAL
Micromagnetic actuator for space applications............................................................................................................ 14
Richard CIAPALA
Multi-Channel Sound Acquisition with a Microphone Array ..................................................................................... 15
Jean-Paul FUCHS
Mesure optimale de l'orientation par la fusion de capteurs inertiels et magnétiques................................................... 16
Fabrice GAILLE
Synchronization of Movements of a Real Humanoid Robot with Music ................................................................... 17
Aïsha HITZ
Reduced-scale Automated Guided Vehicles for the Transshipment of Containers ..................................................... 18
Jean-Etienne HOLZEISEN
Development of a hermetic one bar micro-machined pressure sensor......................................................................... 19
Kaspar JENNI
Radiation Absorption and Thermal Aspects of a Novel Bio-Inspired Infrared Sensor ............................................... 20
Fabio JUTZI
Framework for simulating deformable objects and estimating their physical parameters........................................... 21
Fabian KAPPELER
Robot de service interactif pour enfant ........................................................................................................................ 22
Christina NATTERER
A feasibility study of SMA powder composite microactuators ................................................................................... 23
Gaspard PARDON
Contrôle de qualité pour encapsulation de transpondeur animal ................................................................................. 24
Clément PHILIPPE
Ink-jet Unclogging machine and Service station ......................................................................................................... 25
Nicolas REBEAUD
A State-Feedback Controller for High Efficiency Crane ............................................................................................. 26
Grégoire SALAMIN
Scalable Reverse Engineering of Nonlinear Gene Networks....................................................................................... 27
Thomas SCHAFFTER
Analysis of SAR data to derive Bio- and Geo-physical parameters ............................................................................ 28
Joël STADELMANN
Magnétomètre NMR type “Flowing water” ............................................................................................................... 29
Gabriella SINICCO
Triplet Imaging by Modulated Excitation.................................................................................................................... 30
Thiemo SPIELMANN
Design of an integrated Compass based on Circular Vertical Hall Device...................................31 Venjamin STOJANOV
Optimisation du processus de production d'un relais électromécanique. Lancement en production d'un nouveau relais de la famille QRC. ............................................................................................................................................. 32
Xavier Tardy
Modelisation and optimisation of a mechatronic system ............................................................................................. 33
Vasko VITANOV
Treatment and Analysis of Biological Assays using Microfluidic Imaging Concept 34
Marc Antoine VON ROTEN
Optic-flow-based tracking of moving objects from a moving viewpoint ................................................................... 35
Yannick WEIBEL
Detection and Analysis of Optical Defects in Watch Glasses .................................................................................... 36
Samuel WÜTHRICH
IPR-LPM 18 janvier 2008
Assemblage de microchips
Grégory Affolter, Microtechnique
Assistants: Sandra Koelemeijer Chollet, Frank Seigneur
Professeur: Jacques Jacot
Ce projet de Master s’inscrit en partie avec le projet ELECTRE, effectué en collaboration avec l’entreprise EM Microelectronic et l’IMT de Neuchâtel. Ce projet consiste à développer une nouvelle génération de modules optiques, utilisés par exemple dans des souris d’ordinateur. Le projet de Master s’intéresse à l’assemblage d’un VCSEL (cavité laser) sur un substrat PCB ou en silicium.
Le projet ELECTRE consiste à créer une nouvelle génération de modules optiques,
utilisant une cavité laser (VCSEL) fortement miniaturisée.
Il s’agissait premièrement de s’intéresser aux possibilités existantes sur le marché pour l’assemblage de microchips (~150x150µm) sur des substrats de dimensions plus importantes.
Problème de base du projet : Un chip de
dimensions 150x150µm doit être assemblé sur un substrat.
Une description détaillée des processus d’assemblage, des machines, des outils, ainsi que des entreprises présentes sur le marché a été effectuée. Cela a permis de détailler les principaux problèmes auxquels on est confronté aux différentes étapes d’un tel
assemblage : manipulations, collage, piquage, etc. L’avenir de cette technologie et les attentes dans ce domaine ont également été abordées. Le cas du VCSEL à assembler dans le cadre du projet ELECTRE a ensuite été analysé selon les différents points précédemment cités. Seuls quelques aspects importants ont pu être mentionnés. En effet, le développement du produit n’étant qu’à son commencement, l’analyse spécifique n’a pas pu être conduite en profondeur (aucun test).
Version préliminaire du VCSEL à assembler
(250x200µm). Le VCSEL utilisé pour le projet ELECTRE sera plus petit (170x170µm).
Ensuite, une étude de l’échauffement thermique du VCSEL a été menée. Premièrement, une analyse théorique a été conduite. Le modèle mathématique a démontré que la présence d’échauffement dépend fortement de la taille du substrat sur lequel il est assemblé. Le matériau du substrat (PCB ou silicium) n’a qu’une faible influence sur la dissipation thermique. Ensuite, des tests ont été lancés afin de valider les analyses théoriques. Pour cela, des VCSEL sont collés sur des substrats de dimensions et de matériaux différents. La température du VCSEL est ensuite mesurée par une caméra sensible aux infrarouges.
LAI Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
Conception et développement d’un système de Sun Tracking pour centrale solaire
Maxime Baillifard, Section Microtechnique
Assistant: Joël Maridor
Professeur: Yves Perriard
Ce projet s’inscrit dans le cadre du développement d’une centrale solaire thermique de faible puissance (2-10 kW). La quantité d’énergie produite par toute centrale solaire, thermique ou photovoltaïque, dépend de la quantité de flux lumineux capté. Un système permettant de suivre le soleil (sun tracking) en améliore donc considérablement le rendement.
Ce projet consiste à étudier différentes méthodes pour orienter le récepteur au mieux. En effet, des contrôles en boucle ouverte (la trajectoire à suivre est pré-calculée) ou en boucle fermée (une mesure permet d’effectuer une rétroaction) peuvent être envisagés. Il existe aussi deux types de cinématiques : altazimutale et équatoriale.
Afin de tester différentes combinaisons de ces éléments, un prototype à base de cellules photovoltaïques a été réalisé. Celui-ci a été conçu de façon à pouvoir être mis en configuration équatoriale ou altazimutale.
Schéma 3D du prototype en configuration équatoriale
Pour le contrôle en boucle fermée, le système développé se distingue par une rétroaction basée non pas sur la position du soleil, mais sur une estimation de l’énergie produite au travers de la mesure du courant. Ce procédé assure un positionnement optimal, tout en permettrant de vérifier si dans certaines conditions il vaut mieux pointer une autre direction que celle du soleil. Un microcontrôleur est utilisé afin de mesurer le courant grâce à son convertisseur A/D et de commander les moteurs.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5001400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
1/10 [sec]
Rés
ulta
t con
vers
ion
A/D
Mesure du courant (résultat de la conversion A/D)
Evolution du courant durant le tracking
La figure ci-dessus présente un premier test effectué, où il s’agit de trouver la position idéale en boucle fermée. L’augmentation du courant y est bien visible. Il suffit maintenant de relancer régulièrement cette recherche du courant maximum pour obtenir un tracking durant toute la journée.
LMIS4 Résumé de Travail pratique de Master 18 Janvier 2008
Fabrication et test d’un capteur de pression implantable pour souris
Jean-Matthieu Belzung, Section Microtechnique Assistant: Harald van Lintel Professeur: Philippe Renaud
Ce projet s’est déroulé avec le Dr. Q.Wang, qui fait partie de la Division de Néphrologie et d’Hypertension au CHUV à Lausanne. L’idée de base était de concevoir un dispositif permettant de mesurer la pression sanguine intra-artérielle et la pression ventriculaire gauche (LVP) chez des souris conscientes. Le dispositif devait en outre comporter un système permettant l’injection de médicaments. L'implant doit donc être conçu de telle sorte qu'il permet une intégration facile dans la souris. L’implant devant être autonome pendant au moins 24 heures et que l’ajout d’une batterie est exclu en raison des contraintes de poids et de taille, l’implant intégrera un microprocesseur télémétrique et une antenne permettant de recevoir l’énergie nécessaire à l’alimentation du capteur et de transmettre les données du signal de pression à un lecteur. Le capteur utilisé est un capteur piézorésistif absolu acheté sur le marché de 2 mm de coté.
Capteur piézorésistif utilisé pour l’implant
La méthode choisie est de transmettre la pression à travers un cathéter et un tube rempli d’une solution saline. Pour cela, le capteur est intégré dans un système fluidique possédant deux canaux, un pour la partie injection et un autre pour la partie LVP. Un PCB assure la connexion du capteur au chip télémétrique.
Vue 3D de l’implant : 1. Cathéter 2. Tube de
pression 3. Aiguille 4. Pièce en PMMA 5. PCB 6. Chip télémétrique 7. Capteur
Les résultats trouvés ont prouvés que la transmission de la pression à travers un tube de 4cm de long satisfaisait les exigences en terme de réponse fréquentielle pour l'application de mesure de la pression sanguine. En effet, les spécifications requises du docteur étaient de pouvoir mesurer une variation de pression de l'ordre de 100 Hz. Des bandes passantes de 160 Hz pour un tube de 4 cm et de 200 Hz pour un tube de 2 cm ont été prouvées avec l'implant rempli d'eau. Les résultats ont également montrés la nécessité de réduire au maximum l'espace mort sous la membrane du capteur, ce qui augmente grandement la fréquence de coupure du système.
LEG1 Abstract of Master Thesis 20th June 2008
Design of a Fully Differential Cyclic ADC
Lysandre-Edouard Bonjour, Section of Microengineering Assistant: Yingyun ZHA (CSEM) Professor: KAYAL Maher
In the field of image sensing, the illumination over a pixel is translated into an analog signal. This signal has to be converted by an analog-to-digital converter (ADC) before it can be processed digitally. This block has stringent requirements since it needs to have low noise in order to achieve high resolution. Besides, tradeoffs have to be made in the design, such as conversion rate versus power consumption.
The goal of this project was to design a cyclic ADC whose particular features compared to other ADCs are its low power consumption and small area. The drawback is that these advantages of power and area are traded against speed. A block diagram of a cyclic ADC is depicted in Figure 1. The full N bit digital word is converted in N-1 cycles by recirculation of the output signal to the input.
Figure 1: Block diagram of a typical cyclic ADC.
The 12bit cyclic ADC was designed for a
A particular architecture combining the sample-and-hold (S/H) with the
amplification block was chosen. It has two
conversion rate of 2MSamples/s. The differential and integral non-linearity were chosen to be smaller than 4 and 1 least significant bit (LSB). The wished power consumption was below 750µW.
particular features. First it enables the correlated double sampling, namely subtracting the background noise from the signal of the pixel. Second, it possesses an amplifier input offset canceling feature. The schematic is illustrated in Figure 2.
Figure 2: Combined sample-and-hold and amplification block.
S differential non-linearity are in the specified range at room temperature and for corner
imulations showed that the integral and
cases at -40 and +125°C. The amplifier input offset is successfully cancelled leading to a permanent shift of only a few LSBs in the converted digital word. Power consumption could not be decreased below the specification mainly because a less than optimal OTA topology was used. The power consumed by the main parts was 1100µW.
EPFL/STI/IOA/MVD Summary of Master project 18.1.2008
Detection and visualisation of surfaces measured by low coherence interferometry
Daniel Boss, Microengineering Assistant: Yves Delacrétaz
Professor: Depeursinge Christian
In an endoscopic application a three-dimensional surface visualisation of the human bronchia by means of low coherence interferometry is aspired. Interference between reference wave and object wave happens only if the path length difference is inferior than the coherence length of the laser light source. By changing the length of the reference or object arm a complete scan of the object can be obtained. The principal object of the project is to find a fast and selective algorithm to filter interference fringes that indicate a curve of same altitude.
With the filtered and extracted curves, surface reconstruction can be accomplished.
Figure 1)
Figure 1 ) “Matched Gabor” filtered interference image of the bronchia of a porc.
Filtering algorithms based on complex sinusoïdale basis functions have shown best performances. A fast sliding window
implementation of a local Fast Fourier Transform (FFT) that calculates locally the fringe frequency selective FFT coefficients has shown good results. Even more efficiently in terms of executions time and quality of the extracted signal is the “matched Gabor“ algorithm that locally filters the image with the Gabor mask whose frequency and orientation has been preliminarly matched to the local characteristics of the interference fringes in a calibration of the interferometric setup.
Figure 2)
Figure 2) Reconstructed Surface by Radial Basis Function Interpolation
The reconstruction of the surface is done by interpolation with Radial Basis Functions (RBF) that are particular adapted to sparsely and non-uniformely distributed data samples. Figure 2 shows the resultat of the RBF interpolation upon points from the different extracted curves of same altitude.
LIB - BIG Résumé de Travail pratique de Master 20 juin 2008
Image Processing Algorithms for Resolution Enhancement
Aurélien Bourquard, Section Microtechnique
Assistants: Sathish Ramani, Cédric Vonesch
Professeur: Unser Michael
Dans le cadre de ce projet, des algorithmes itératifs d’agrandissement d’images sont développés, en considérant un échantillonage non-idéal (présence d’une fonction d’analyse) ainsi qu’une reconstruction analogique (fonction de synthèse); une approche variationnelle est utilisée. À l’aide de concepts multigrilles linéaires, un algorithme linéaire pondérant le terme d’attache aux données est mis au point; dans certains cas, ses taux de convergence surpassent les méthodes itératives standard de plusieurs ordres de grandeur. Cet algorithme permet notamment l’agrandissement d’une image à partir d’un nombre limité d’échantillons (Figs. 1 et 2).
Fig. 1 : A gauche, crop de l’image standard « lena »; à droite, son équivalent masqué
Fig. 2 : Agrandissement 4x par l’algorithme linéaire à partir du crop masqué de Fig. 1
L’algorithme d’agrandissement non linéaire, quant à lui, minimise une fonctionnelle
convexe (non-quadratique) utilisant un potentiel de type Huber, proche de la variation totale (TV). Qualitativement parlant, la régularisation minimise une combinaison des normes L1 et L2 du gradient de l’image. Le concept de résolution consiste à majorer successivement la fonctionnelle par une expression quadratique locale à minimiser, cette minimisation s’effectuant par une méthode de gradient conjugué. L’avantage de cet algorithme est notamment la préservation simultanée des contours de l’image ainsi que des textures durant l’agrandissement, comme on le voit sur les images correspondantes (Figs. 3 et 4).
Fig. 3 : Crop de l’image standard « house »
Fig. 4 : Agrandissement 4x par l’algorithme non-linéaire du crop de Fig. 3
Une amélioration potentielle concerne l’utilisation des techniques multigrilles susmentionnées en vue d’accélérer la convergence de l’algorithme non-linéaire, en considérant l’expression quadratique locale.
EPFL – IMT - LSRO Master Project Abstract 20.06. 2008
Shielded Actuation System for fMRI-Based Neuroscience Studies
Jordi Campos Carol, Microtechnique
Assistant 1: Roger Gassert
Assistant 2 : François Barrot, Evren Samur
Professeur: Hannes Bleuler
For the last thirty years, the image-based diagnosis systems have evolved exponentially. Nowadays, one of the most used techniques is magnetic resonance imaging or MRI. Using a very powerfull magnetic field of a scanner, and due to an aligment of the magnetic spin of the protons in the human body combined with a radio wave at the appropiate frequency, the MRI can perfom a three-dimensional image of the studied part. Inside the MRI world, there is one special type, the functional MRI (fMRI), where the created image reveals the changes in the blood flow and oxygenation of the studied part (BOLD effect). This project is around such neuroscience studies.
Fig.1 : Brain activity map during an fMRI procedure
To control interaction with the subject under study, and in this way to be able to study certain types of movements/sensations (what reaction and its magnitude they produce into the brain and in which region), a MRI-compatible actuation system is needed. However, an MR environment has very strong safety and electromagnetic compatibility constraints on mechatronic components. Providing that, all those actuation systems must be both immune to electromagnetic interference and do not emit electromagnetic noise. In this project it will be explained how to construct a force-feedback actuation system with metallic and ferromagnetic devices, such as DC motors (high bandwidth and easy to control but intrisically not compatible), with its appropiate shielding structures to attenuate the emitting electromagnetical interfereces as well as the scanner static magnetic field.
To construct a viable and secure prototype, some electromagnetical studies were perfomed on both the device (in a test bed, Fig.2) and MRI environment, in order to acquire real data (Fig.3) to contrast with the theory, and in this way, select the appropiate materials for the shielding structure, and afterwards, the design of the shielded actuation box for the system was done (Fig.4).
Fig.2 : Test bed with an electromagnetic probe
Fig.3 : Magnetic field emissions
Fig.4 :Shieded actuation box design
IMT - SAMLAB Master Project summary December 21, 2007
MOX gas sensors on polyimide
Michael Canonica, Section of microtechnology
Supervisor: Jérôme Courbat
Professor: Nico F. de Rooij
A MOX (Metal Oxide) gas sensor consists of a MOX gas sensitive layer deposited on a micro-hotplate. The micro-hotplate is composed of a heater capable of reaching the temperature where the chemical reaction between the gas and the MOX layer occurs, an insulating layer, and finally interdigited electrodes for measuring the resistivity changes of the sensitive layer.
MOX gas sensor description
This master project had for purpose to design, simulate, process and characterize ultra-low power micro hotplates made on polyimide and to evaluate and improve the simulation model.
The micro-hotplates were designed and different layouts were generated. Then, with the help of finite elements simulations, the different parameters of micro-hotplates were investigated in order to get a low power consumption and a uniformized temperature distribution over the micro-hotplates surface.
When the micro-hotplates were optimized, those structures were fabricated in a clean room environment.
50 µm wide bulk fabricated micro-hotplate
After the fabrication, thermal surface measurements were carried out with a thermography technique in the visible and the near IR. Those measurements served to check and improve the simulation model.
Thermography measurement on a 50 µm
wide micro-hotplate
Those measurements showed that the lowest power consumption to reach 300°C (reaction temperature between the metal oxide layer and the NH3 gas) was of 5.23 mW. Thus, ultra-low power micro-hotplate was obtained.
In the future, simulations could be computed with the new optimized simulation model to obtain micro-hotplates with lower power consumption.
LPM Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
Analyse des conditions à réunir pour simplifier la gamme d’assemblage de
roulements de haute précision
Julien Chassot, Section Microtechnique
Assistant: Sandra Koelemeijer
Professeur: Jacques Jacot
Ce projet s’est déroulé en collaboration avec l’entreprise MPS AG à Bonfol (JU). Le but est d’analyser et de qualifier l’assemblage des roulements à billes horlogers fabriqués par MPS. Les roulements à bille sont typiquement constitués de 5 éléments (Fig. 1).
Fig. 1 Éléments constitutifs des roulements
fabriqués par MPS
Les roulements sont assemblés en chassant les cônes sur les noyaux. Bien que les roulements soient de dimensions différentes, ils sont tous assemblés de la même manière : une opération de calibrage des roulements par classe de 2 µm suivi d’un assemblage sélectif. Afin de déterminer si cette méthode d’assemblage est valable pour chaque roulement, l’opération de chassage dut être étudiée en détail. Une première partie du projet consistait à déterminer les plages d’interférence de chassage supportées par les roulements. Il est basé sur le modèle théorique de chassage de Lamé-Clapeyron. Les interférences maximales et minimales sont calculées afin de satisfaire les fonctions du roulement. La deuxième partie du travail consiste en l’analyse des capabilités d’usinage et des rendements des assemblages selon la méthode utilisée en tenant compte des erreurs de mesure.
Il apparaît rapidement que le rendement d’un assemblage sans calibration est tributaire de la qualité de l’usinage. La prise en compte des erreurs de mesures permet une meilleure estimation de la capabilité d’usinage. Le problème vient du fait que l’ordre de grandeur de l’erreur de mesure est le même que celui de la dispersion d’usinage. Mais même ainsi, il est possible de garantir la conformité des lots usinés en mettant en place un suivi de production adéquat. Le tri sélectif est lui aussi réalisé sur des appareils comportant des erreurs de mesure (Fig. 2). Le tri n’est donc pas effectué parfaitement et un mélange apparaît entre les classes.
Fig. 2 Tri en classes de 2 µm. La courbe pleine
représente la mesure réelle. La courbe trait tillé
correspond à une classe parfaite sans erreur de
mesure
Cependant, malgré l’erreur de mesure, les effets du tri sont tout de même positifs, car il réduit la dispersion des lots assemblés. Au final, en se basant sur les coûts des différentes méthodes d’assemblage, nous avons déterminé pour chaque roulement si un assemblage direct pouvait être réalisé ou sinon quelle taille de classes utiliser.
EPFL/UVA – LSRO Summary of Master Thesis (40 h/week) 10.09.07-18.01.08
Rotor/Bearing System Identification and Model Validation
Vincent Chenal, Microengineering Supervisor 1: Se Young Yoon (University of Virginia) Supervisor 2: Thomas Bosgiraud Advisor: Prof. Eric H. Maslen (University of Virginia) Professor: Hannes Bleuler
The ROMAC laboratories of the University of Virginia (USA) lead research to avoid the occurrence of surge in centrifugal compressor using active magnetic bearings to modulate the impeller tip cleareance.
During this work, the test rig, damaged by a lightning, has first be restored. To that end, a helpful sensor calibration method was devloped out. In order to design efficient controllers, a mathematical model reliably reflecting the physical system is required and so an identification of the plant was carried out. Results are shown in fig. 1.
Fig 1. Identification (Magnitude) of the ro-
tor/bearing system
The model developped during previous work was validated even though some differences between the model and the physical plant were observed, due to a low sensor repeatability.
Since this compressor is a high speed compressor (23’300 RPM), both gyroscopic and unblanced mass effects were included in the model. The response of the rotor to its unblance with and without gyroscopic effect is shown in fig. 2. A model was developped by both finite element analysis and analytical way.
Fig.2 Response of the rotor to its unbalance
Finally a H∞ controller for the thrust bearing was designed and successfully implemented on the system. This controller enables to track a 1 Volts reference signal up to 10 Hz with a position error smaller than 0.1mils (2.5 μm) if a sensor sensitivity of 0.7V/mils is assumed. The measured and modelled transfer functions from the reference signal to the position error are plotted in fig. 3. It is also able to reject a disturbance force of 4950 N up to 1 Hz with a position error smaller than 2.5 mils (63.5 μm).
Fig. 3 Measured and model based sensitivities
for the thrust bearing
LMIS 3 Résumé de Travail pratique de Master 18.1.08
Micromagnetic actuator for space applications
Richard Ciapala, Section Microtechnique
Assistants: Giovanni Boero, Patrick Carazzetti. Professeur: Radivoje Popovic
The objective of this project is to study a novel micromagnetic actuator based on conductors only, without the need of a permanent magnet or a ferromagnetic loop
Figure 1, Meander structure carrying a current I. The generated magnetic field B in each arm is opposed to its neighbour’s magnetic field
and creates a repelling force that extends the structure
Using a meander design composed of tens of turns carrying a current which is opposite in each conducting arm the generated magnetic field is opposed to its neighbour’s magnetic field and creates a repelling force that acts on each arm to expand the meander structure. Simulations were carried out to understand and optimize the effects of the electrical and geometrical parameters and create a first design. Frequency response simulations where also investigated to increase the displacement by working at resonant frequencies in an AC mode.
Two designs were investigated; a high aspect silicon-aluminum structure using the SOI technology, where the top silicon layer was patterned and released by removing the oxide sacrificial layer. The structure was then metal-lized with aluminum to create the electrical conducting layer. A second design using only aluminum was designed and fabricated.
Figure 2, simulation of the total displacement
when a current is flowing through the meander.
Both designs successfully allowed making suspended structures. Further investigation should evaluate the displacement with the simulated predictions.
Figure 3, 500 µm x 400 µm aluminum
suspended structure.
FACULTE SCIENCES ET TECHNIQUES DE L’INGENIEUR
LABORATOIRE DE SYSTEMES ROBOTIQUES 1 (LSRO1)Station 9
CH-1015 LAUSANNE
DIPLOMA PROJECT — SUMMER 2008
Title: Multi-Channel Sound Acquisition with a Microphone Array
Candidate: Jean-Paul Fuchs Section: Microtechnics
Professor: Hannes Bleuler
Assistant 1: Alexey Gribovskiy Assistant 2: Michael Bonani
Master project summary
The aim of this master thesis is to develop a multi-channel sound acquisition board for an array of 16microphones. This board will be used for real-time sound processing: sound sources localizationand sound separation. A mobile robot marXbot,equipped with these microphone array and soundacquisition board, will be used in the Chicken Robotproject, where the robot has to interact with a groupof chicks. In a precedent phase of the project a cir-cular microphone array with 16 microphones wasdesigned and implemented, which allows to recordmulti-channel test data in connection with a AlesisADAT HD24 recording system for subsequent anal-ysis and to test di!erent sound localization methods.
Figure 1: The 16 channel microphone array and the AlesisADAT HD24 recording system.
The sound acquisition board has to sample the 16microphones synchronously and to provide a sam-pling frequency of 30 kHz with a 16-bits resolu-tion; additionally it has to be compatible with themarXbot and personal computers. These require-ments place the design of such a board to the bestof the state of the art.
A test board was designed that meets the require-ments. The controller used for data acquisition andtransfer is a Cypress FX2 host controller that pro-vides USB Highs-Speed interface. The designed test
board allows to test two di!erent ADC types, whichmeets the requirements, with di!erent data buses:serial and parallel.
Figure 2: Circular test sound acquisition board for testingtwo di!erent ADC types with serial and parallel data bus
and a FX2 development board (down right).
Preliminary experiments on programming of theFX2 device to generate a waveform to control ADCsand to transfer data were made. These experi-ments have conducted to a prototype system of themulti-channel sound acquisition board which allowsto control ADCs with a serial bus. The prototypeis capable to sample synchronously 16 microphoneswith 16-bit resolution and sample frequencies up to50 kHz. The data acquisition is done in real timeand the acquired data is transferred via USB 2.0High-Speed. The chosen solution allows to increasethe number of channels and shows that the digi-tal recording system used in precedent phase of theproject can be replaced.
In the future work a final version of multi-channelsound acquisition board with a on board FX2 chiphas to be implemented and the firmware for the FX2for data acquisition and transfer has to be devel-oped.
IBI2 – LMAM Résumé de Travail pratique de Master 18.01.2008
Mesure optimale de l'orientation par la fusion de capteurs inertiels et magnétiques
Fabrice Gaille, Section Microtechnique
Assistants: Julien Favre & Julien Chardonnens Professeur: Kamiar Aminian
En orthopédie et en réhabilitation, il devient primordial de mesurer les rotations 3D des articulations. Bien que beaucoup de systèmes de mesure du mouvement existent, aucun n’est actuellement « accessible » pour une utili-sation de routine. Ce travail propose et valide un système couplant une unité inertielle de mesure avec un système magnétique afin de mesurer l’orientation des segments du corps humain. Ce système permet une mesure pré-cise et de longue durée de l’orientation dans un environnement hospitalier.
Systèmes magnétique et inertiel
Le système magnétique (Minuteman®, Polhemus USA), composé d’une source et de capteurs, permet la mesure de l’orientation avec une précision moyenne. De plus ce sys-tème est distordu à proximité de métaux. L’unité inertielle, composée d’un système d’acquisition (National Instrument USA) et de modules inertiels (Analog Device USA), per-met la mesure de vitesses angulaires et d'ac-célérations en trois dimensions. L’orientation obtenue par intégration des vitesses angulaires
est péjorée par une dérive. Les systèmes iner-tiel et magnétique sont couplés au travers d’un algorithme complexe impliquant plusieurs filtres de Kalman. L'algorithme permet de détecter les distorsions du système magné-tique. L'orientation obtenue est disponible en temps réel ou hors ligne, fournissant de meil-leurs résultats pour ce dernier cas.
Erreur d'orientation obtenue lors de la validation, avec
période de distorsion
Le système proposé a été validé avec le sys-tème VICON (UK) sur six sujets lors d'un scénario composé de diverses tâches. Les ré-sultats obtenus montrent une diminution de l'erreur de plus de 50% par rapport au système magnétique. De plus, l'erreur en cas de distor-sion correspond à une dérive statistique de 0.05°/s. Cette étude a ainsi validé un système permet-tant la mesure précise, en temps réel ou hors ligne de l'orientation. Grâce à la fusion propo-sée, ce système permet des mesures de longue durée et à haute fréquence indépendamment de l’environnement d’utilisation.
gyroscopes
Système magnétique
Résultat hors ligne Résultat
temps réel
DISTORSION
BIRG Summary of the Master Project February 2008
SYNCHRONIZATION OF MOVEMENTS OF A REAL HUMANOID ROBOT WITH MUSIC
Aïsha Hitz, Faculty of Microengineering
Assistants: Sarah Degallier, Ludovic Righetti Professor: Auke Jan Ijspeert
How do people synchronize with music? When listening to music, people intuitively detect a tempo and adapt their movement to the rhythm of music. They are then strongly influenced by an external signal that is the music. This behavior could be imitated using oscillators, dynamical systems that have the capability to synchronize to an external signal. Music could, in fact, be described as a periodic signal characterized by its frequency and its phase. As the frequency represents the tempo, the phase symbolizes the beats that are detected by people, when tapping along the rhythm of a song. Like people, oscillators should then adapt their behavior to the music, by modifying their frequency and their phase.
The purpose of this Master project was to implement adaptive frequency oscillators, dynamical systems which can adapt their frequency to the tempo of any music and to transmit it to a drumming controller of a humanoid robot. This last step helped to recreate visually a human-like behavior on a robot when listening to music.
Frequency adaptation of the oscillators.
The advantage of these adaptive frequency oscillators is their continuous adaptation. As long as there is an external signal applied to them, they adapt their frequency. The tempo
detection can then be implemented in real-time, at the same time as music plays. It can support any changes in tempo and be robust to irregular beat, i.e. beats that are divided in different spaced meters and which can create perturbation.
The adaptive oscillators method developed in this project needed onset detection. An envelope extractor which emphasizes the sudden changes in sound, i.e. the moment of beat pulses, became the basis of the music pre-processing. Moreover, the efficiency of this method depends on the initializations of the parameters and of the initial conditions of the oscillators. Thus, if these are well fixed, the method allows a tempo detection of any kind of music, from simple impulse functions to electronic music, or from classical music to dance music.
The humanoid robot with its instrument.
As the study showed, there are many different aspects that are linked to tempo detection. Coordinated periodic movements as intuitively produced by human beings are not an easy task to be recreated, even if oscillators were good models to be used.
Some of the simulations done in Webots can be found on the website http://birg.epfl.ch/page67315.html.
Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
Reduced-scale Automated Guided Vehicles for the Transshipment of Containers
Jean-Etienne HOLZEISEN, Section Microtechnique Assistant: Sylvain RUDAZ MER: Denis GILLET
Le Laboratoire d’Automatique de l’EPFL élabore de nouvelles stratégies permettant la planification globale de trajectoires de plusieurs véhicules guidés automatiquement (AGVs), tout en admettant la résolution locale des conflits aux croisements. Ces stratégies disposant d’un fort potentiel, la collaboration avec l’entreprise NUMEXIA offre un cadre concret à leur utilisation. Un modèle réduit d’AGV, le µAGV, a été réalisé au Laboratoire d’Automatique, sur la base de micro-robots e-pucks, afin de servir de plateforme de tests. Différentes analyses ont été menées sur le µAGV, de manière à identifier ses grandeurs caractéristiques et valider le premier prototype. Une architecture de commande permettant d’implémenter des algorithmes de suivi de trajectoire à été développée, implémentée et testée sur ce système. Cette architecture est basée sur un contrôleur en cascade, utilisant un régulateur basé sur la platitude pour le suivi de la trajectoire et un régulateur PID pour le rejet des perturbations affectant les trains de roues.
ν1
P e-puckConvert-
+θ Δν θ
ν2
AGV
Traj. Gen.State - Controller
State - EstimatorGearGear
GearController
ν1
P e-puckConvert-
+θ Δν θ
ν2
AGV
Traj. Gen.State - Controller
State - EstimatorGearGear
GearController
Figure 1 : Contrôleur en cascade
Le régulateur de la boucle externe du régulateur est implémenté sur un ordinateur communiquant en Bluetooth avec les e-pucks pour l’envoi des commandes et la récupération des mesures.
Traj. Gen. State - Controller
State - EstimatorGear Gear
Gear Gear
1
Traj. Gen. State - Controller
State - EstimatorGear Gear
Gear GearTraj. Gen. State - Controller
State - EstimatorGear Gear
Gear Gear
111
Figure 2 : Boucle externe de l’architecture
.
1
2
T[vlc][vrc][oc]
t[plm][prm][vlm][vrm][om]
11
222
T[vlc][vrc][oc]
t[plm][prm][vlm][vrm][om] Figure 3 : Communication PC e-puck
La boucle de régulation interne est implémentée localement sur les robots en utilisant leur microcontrôleur.
2
P e-puckConvert
-
+θc Δν
θν1
ν2
222
PP e-pucke-puckConvert
-
+θc Δν
θν1
ν2
Figure 4 : Boucle interne de l'architecture
LMIS4 / Intersema Sensoric SA Master Thesis Summary August 2008
Development of a hermetic one bar micro-machined pressure sensor
Kaspar Jenni, Microengineering
Expert: Dr. Marc-Alexis Grétillat
Supervisor: Prof. Philippe Renaud
The goal of the project is to design, produce
and characterize a new one bar hermetic
micro-machined pressure sensor, named
MS7201A2. This project was done at
Intersema Sensoric SA, a MEMS pressure
sensor producer in Bevaix, Switzerland.
The project was subdivided in four phases:
1. The design of the masks and of the
fabrication process, also involving
FEM simulations.
2. The fabrication of the sensor by a
wafer foundry and at Intersema
3. The characterization of the sensor.
4. The design of a new version.
Schematic of the hermetic pressure sensor
The sensor is batch-fabricated on single
crystal silicon wafers. The membrane is
created by KOH anisotropic wet etching and
the sensing elements are piezoresistors
implanted in the membrane.
The sensor is called hermetic because it has
a Pyrex® cap bonded on top of the sensor,
creating the vacuum reference cavity and
protecting the diffused layers and the metal
lines on the top side of the silicon die.
Pressure is applied from the backside.
Another Pyrex® is bonded on the backside
for better stability of the sensor.
Sensors after batch-type fabrication
The characterization of the sensor showed
that there was a weakness in one of the
process step. It was corrected during a
second design phase, also requiring the
update of some of the masks that were done
in the first design phase.
MS7201A2 pressure sensor, first version
Pyrex®
Pyrex®
Silicon
Vacuum
reference
cavity
Pressure
1mm
EI lab, TU Delft Résumé de Travail pratique de Master July 27, 2007
Radiation Absorption and Thermal Aspects of a Novel Bio-Inspired Infrared Sensor
Fabio Jutzi, Section Microtechnique Assistant: Dedy H.B. Wicaksono (Electronic Instrumentation Laboratory, TU Delft) Professeur: Nico de Rooij (EPFL), Patrick J. French (EI lab, TU Delft)
In this work radiation absorption and thermal aspects of a novel bio-inspired infrared sensor is investigated. The optical constants of low pressure chemical vapour deposited silicon nitride (LPCVD SiN) are measured and modelled, simulation of membrane heating is performed and a test device is fabricated and measured.
The principle of the infrared sensor is based on a membrane, which buckles when it is heated by absorption of infrared radiation. It is inspired from the beetle, Melanophila acuminate, which uses its organ to detect forest fires.
Cross section of dome shaped infrared detecting organ of Melanophila acuminate
and schematic of novel sensor.
The absorption proprieties of LPCVD SiN are investigated since it is an adequate
material for fabrication of membranes and it has a low thermal conductivity. For this purpose, the optical constants of this material are modelled by using reflection measurement data. The results show that SiN absorbs in the 8 to 14 μm wavelength region. Absorptions of about 50% can be achieved for 300 nm thick layers.
Photograph of silicon nitride membrane of 200 nm diameter with polysilicon resistors
The heating due to incoming radiation and the thermal time constant of SiN membranes of different sizes are analyzed. Finite elements simulations and analytical calculations are used for this purpose.
A test device is fabricated and some preliminary measurement are performed. The device consists of a polysilicon and platinum thermistor on a LPCVD SiN membrane. Early measurement results of membrane heating due to infrared irradiation confirm the results of heat simulations and optical modelling.
IPR – LSRO Master project summary 15 august 2008
Framework for simulating deformable objects and estimating their physical
parameters
Fabian Kappeler, Microengineering
Assistants: François Conti (Stanford University), Benoit Dagon (EPFL)
Professors: Reymond Clavel (EPFL), Oussama Khatib (Stanford University)
Computer assisted surgery (CAS) aims at
assisting surgeons to perform often
complicated and delicate procedures by
providing them visual, audio or even haptic-
feedback guidelines about the organs and
environment on which they are operating.
During such procedures, pre-operative data of
the patient can be used to produce augmented
scenes which are used as roadmaps. As the
organs are generally moving during the
procedure, their models can be updated in
real-time by using various types of imaging
sensors such as cameras, scanners or
ultrasound devices.
Example of CAS: “hidden” information
overlaid onto image of real scene
(Courtesy: VRAI group, EPFL)
Previous research efforts in the field have led
to various techniques to perform effective
model segmentation, registration, simulation
and even model update under real-time
conditions. While many technologies have
shown promising results, it has been so far
very difficult to quantitatively measure and
compare their performance on standard sets of
data and under controlled noise conditions.
Example of a virtual setup : Virtual easytrack,
ultrasound and stereo camera track the
deformation of the object
In this project we developed a new framework
to allow researchers to effectively create
virtual scenes composed of deformable objects
(i.e. virtual organs). Various types of virtual
imaging sensors have been modeled and can
be introduced in a scene. For each virtual
sensor, their signal quality, image resolution,
sensitivity to noise can be finely adjusted.
A second part of this framework includes the
integration of existing algorithms that perform
tasks such as registration and model
estimation. By testing the algorithms in
simulated conditions we were able to better
understand the behavior and limits of each
approach. These interesting results showed the
effectiveness of using a simulator in
conjunction with real experimental setups to
better validate the performance of new
algorithms.
EPFL - LSRO Résumé de projet Master 17.01.2008
Robot de service interactif pour enfant
Christina Natterer, MicrotechniqueAssistant : Francesco MondadaProfesseur: Francesco Mondada
Ce projet consiste en l’élaboration d’un robotde service interactif pour enfant. Celui-ci de-vra calmer un enfant qui a peur dans le noir.
Dans un premier temps, je me suis intéresséeaux différents jouets interactifs remplissant lamême fonction existant sur le marché. Assezpeu de jouets sont réellement interactifs ettous étaient destinés à des nourrissonsJ’ai donc décidé de mettre au point un robotmultifonctionnel et interactif destiné aux en-fants de plus de trois ans qui craignent le noir.Après une discussion avec un psychologuepour enfant et différentes recherches, j’ai dé-cidé que mon robot allait faire de la musiquesi l’enfant est agité dans son lit et qu’il allaitfaire de la musique et de la lumière si l’enfantpleure. Il allumera aussi un éclairage au sols’il y a du mouvement dans la chambre et ilservira aussi de torche à l’enfant s’il veut selever et se déplacer dans la maison. Dans cettefonctionnalité de torche, j’ai aussi pensé doterle robot d’un capteur de présence afin de ras-surer l’enfant qu’il n’y a personne. En effet,si le robot voit une personne dans le faisceaude la torche des LED rouges vont s’allumer.Le schéma ci-dessous représente les diffé-rentes interactions du robot avec l’enfant.
Le robot communique par infrarouge avec unboîtier situé sur le lit dans l’enfant. Ce boîtierest doté d’un capteur de présence, afin dedétecter s’il y a une personne dans la pièce,d’un micro et d’un accéléromètre afin décelersi l’enfant fait un cauchemar ou s’il pleure.Dans le but de déceler si l’enfant a pris lerobot dans la main, nous l’avons doté d’unaccéléromètre. Ainsi suivant son inclinaison,le robot se mettra en mode torche.Par la suite, il a fallu penser à l’allure du robotafin de faire fonctionner les différents rôlesdu robot tout en alliant beauté, ergonomie,facilité d’assemblage et d’usinabilitéLa photo ci-dessous représente le robot ac-compagné du boîtier qui viendra se fixer surle lit de l’enfant.
J’ai par la suite programmé ce robot et le boî-tier afin de vérifier si toutes les fonctionnalitésprévues sont faisables.Pour la suite, beaucoup de choses sont à amé-liorer, car cette version n’était qu’un proto-type. La suite consistera à corriger quelqueséléments techniques qui n’ont pas bien remplileurs fonctions ainsi que toute la partie indus-trialisation du système.
MST-S3-KTH, LMIS2-SMT-EPFL Master Thesis summary January 18th 2008
A feasibility study of SMA powder composite microactuators
Gaspard Pardon, Microsystems Technology / Section Microtechnique Assistant: Stefan Braun Professors: Ass. Prof. Wouter van der Wijngaart (KTH), Prof. Martinus Gijs (EPFL)
Project Summary
This project has been performed in the Microsystems Technology (MST) group at the Royal Institute of Technology (KTH) in Stockholm.
The objective of this project was to evaluate the possibility of using a composite of “Shape Memory Alloy” (SMA) powder and polymer to fabricate integrated, batch manufactured microactuators. Finite Element simulations were performed and prototype structures were designed and fabricated for experimental verifications.
This project is part of the European “Quality materials to Microsystems” (Q2M) project, which aims to develop novel microfabrication processes to integrate high-quality materials, such as SMA materials.
Shape Memory Alloys are special materials, which can endure a plastic deformation and then recover their initial shape when being heated. They provide a very high energy density actuation. However, new methods are needed for a straightforward batch integration of these materials to microsystems. One idea is to use a composite formed of SMA in powder or in fibre form and a polymer matrix. This composite could be spun or cast on a substrate. SMA actuation requires a cold state deformation mechanism like a bias spring force. The intrinsic stress resulting from the polymerisation of a standard polymer, e.g. polyimide (PI), Benzo-Cyclo-Butene (BCB) or SU8, could be used to provide the cold state deformation.
The actuation principle is based on V-grooves in silicon, which are filled with the
composite. The V-grooves are fabricated in thin silicon cantilevers, which bend up when the polymer shrinks and the resulting stress in the polymer deforms the SMA material. When heated, the SMA recovers its shape and pushes the cantilever down. When cooled down, the polymer deforms the cantilever and the SMA material again and a new actuation cycle can be performed.
Figure 1: Actuation concept studied in this project
Simulations have been performed to determine both suitable geometry parameters and polymer properties.
Three designs have then been chosen for fabrication and their conception and process flow have been defined.
Finally, test structures have been fabricated to investigate the shrinkage and the adhesion of the SU8 in V-groove. The results show that the process parameters as well as the choice of the shrinking polymer must be reconsidered.
Further research, based on this work, is needed to conclude about the feasibility of such actuators.
LPM-IPR-STI Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
Contrôle de qualité pour encapsulation de transpondeur animal
Clément PHILIPPE, Section Microtechnique
Assistants: Alain DUFAUX, Giuseppe ZAMUNER
Professeur: Jacques JACOT
Ce travail de diplôme est le fruit de la collaboration du groupe Vision du Laboratoire de Production Microtechnique avec l’entreprise DATAMARS SA au Tessin. Le nombre de transpondeurs pour animaux rejetés en production actuellement est encore trop élevé.
Les types de défauts sont divers, ils vont du manque d'étanchéité aux défauts de surface qui nuisent à l'aspect du produit. Le dispositif qui fait l'objet de ce projet doit permettre de trier les défauts en s'appuyant sur une détection visuelle. Une analyse fonctionnelle est utilisée pour trouver les critères permettant d’effectuer ce tri. Ainsi les défauts présents à la surface des transpondeurs sont tous définis. Une analyse des différents paramètres qui influencent ces défauts a été réalisée. Ceci a permis de rédiger un cahier des charges fonctionnel. Plusieurs solutions ont été comparées dans le but de proposer un système de contrôle à la fois robuste, bon marché et facile à implanter. La solution retenue a été développée de manière approfondie. Les fonctions techniques propres à cette solution sont clairement définies dans l’optique de permettre la mise en place du système. L’entreprise DATAMARS se charge du développement de la partie mécanique tandis que la partie algorithmique est développée au cours de ce travail. Un prototype fonctionnel (cf. figure 1) est mis à disposition pour permettre la saisie des images qui seront à la base de l’analyse de tous les types de défauts des transpondeurs.
La plus grande partie du projet a été la programmation d’algorithmes permettant l'analyse des images. DATAMARS a imposé pour des raisons de compatibilité que les algorithmes soient développés sous LabVIEW. Les différentes méthodes de détection et d’identification des défauts sont décrites en détail et illustrées. L'objectif est de rendre accessible au lecteur le déroulement des
algorithmes, facilitant ainsi la compréhension du code source également commenté.
Figure 1 : Prototype fonctionnel
Les images enregistrées à l’aide d’échantillons fonctionnels permettent la mesure des performances des algorithmes. Un nombre significatif d’images est analysé de façon à pouvoir dresser une classification des résultats par une statistique du nombre de défauts convenablement détectés et identifiés. Une étude de ces résultats statistiques devrait permettre d'affiner par la suite le système de vision.
Figure 2 : Exemple d’un résultat intermédiaire de l’algorithme de traitement
d’image
LMIS1 Abstract of the Master project January the 10th, 2008
Ink-jet Unclogging machine and Service station
Nicolas Rebeaud, Microengineering
Supervisor: Vahid Fakhfouri Professor: Jürgen Brugger
In the frame of this project, an unclogging machine and a cleaning station for inkjet capillaries were designed and fabricated. The clogging occurs when inkjet capillaries are obstructed. A regular cleaning decreases the risk of clogging. This is the motivation behind the development of a service station as a complementary tool to an unclogging machine. The solution we propose for the unclogging machine is to insert a rigid wire, pre-aligned with the capillary using a two-axes flexible blade guiding alignment system. The alignment could be done with a precision of 1 µm with the help of a vision feedback system
Wire inserted into a 50 µm capillary using the
unclogging machine.
The machine is functional and some test results are reported. The service station is able to flow three types of solvents through the capillaries during a given time and is able to reverse the direction of flowing without any user intervention. It uses a fluid circuit under pressure which is controlled by electrically driven micro-valves.
The service station
The liquid flow control, the user interface and the fixation system have been tested successfully. Special care is needed when purging the air in the liquid circuit. The objectives of the project have been reached: the service station and the unclogging machine are both functional. Some improvements have been suggested particularly in the case of the optical feedback system of the unclogging machine. The time of service can also be reduced by optimizing the fluidic circuit.
Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
A State-Feedback Controller for High Efficiency Crane
Grégoire Salamin, Section Microtechnique
Assistants: Davide Buccieri, Willson Sudarsandhari, Philippe Mullhaupt Professeur: Dominique Bonvin
Les grues traditionnelles présentent la cara-ctéristique commune de comporter de gran-des masses en mouvement. Ces importantes inerties réduisent les vitesses de déplace-ment envisageables. La grue qui fait l’objet de ce projet doit permettre d’augmenter les vitesses de déplacement en réduisant les masses en mouvement. Pour y parvenir, une architecture parallèle a été choisie. Cela complique considérablement la commande de la grue. C’est sur ce sujet que se con-centre ce projet.
Modèle réduit de la grue. Trois câbles reliés
à des moteurs permettent de déplacer l’anneau sous lequel est fixée la charge.
Une première partie du rapport expose les développements théoriques qui ont permis le dimensionnement d’un régulateur d’états basé sur une loi de commande optimale. Les résultats obtenus en simulation sont égale-ment présentés.
La deuxième partie, présente l’implémenta-tion sur le système réel. Elle traite des pro-blèmes de bruit, de la modélisation et de l’identification des moteurs. Elle s’attache également à appliquer la force de consigne obtenue par la loi de commande optimale. Pour cela, une première approche utilisait le modèle inverse des moteurs dans le but d'ap-pliquer les forces nécessaires dans les câ-bles. Cette méthode ne donna pas de résul-tats satisfaisants, en raison du manque de finesse dans la modélisation des frottements. Une nouvelle solution a donc été imaginée. Elle consistait à appliquer la force de consi-gne au modèle de la grue et à simuler son comportement durant une période d'échantil-lonnage, avec comme valeurs initiales l'état courant du système. Au terme de cette simu-lation, le nouvel état permettait de calculer des valeurs de consigne pour la longueur des câbles. Des régulateurs proportionnel-dérivé permettaient de suivre ces consignes en s'additionnant aux tensions à priori fournies par le modèle inverse des moteurs.
Solution proposée pour appliquer la force de consigne au système.
Les résultats obtenus avec cette deuxième méthode se sont révélés satisfaisants. Il subsiste tout de même un statisme de quel-ques centimètres selon l’axe z.
LIS Abstract 18.01.01
Scalable Reverse Engineering of Nonlinear Gene Networks
Thomas Schaffter, Section Microtechnique
Advisors: Daniel Marbach, Claudio Mattiussi
Professor: Dario Floreano
Introduction
Current advanced molecular biology techniques provide gene expression levels (mRNA levels) of selected, if not all, genes of an organism. In such aggregate, expression levels of one gene are mediated by the presence of specific proteins and metabolites produced by other genes. Gene Regulatory Networks include such structures, where a node (gene) is linked by a few number of interactions with others genes (Fig. 1). Knowledge of gene-gene relationships in networks, and so having possibility to act and control them is important in biotech and pharmaceutical industries.
Figure 1: Gene Regulatory Network
Methodology
From mRNA measurements methods based on Bayesian Networks, statistics and information theory or linear dynamical systems offer the possibility to reverse-engineer underlying GRNs, i.e. to find the topology or wiring of such networks. The method described here is based on single-gene optimization, which allows to process large scale non-linear GRNs (> 50 genes).
Figure 2: Framework of single-gene optimization-based reverse engineering algorithm
From experimental datasets, the algorithm generates several different in silico GRNs and simulates them to produce datasets comparable to given ones. This loop is repeated many times until the algorithm finds an in silico network that fits the experimental data (Fig. 2). CMA-ES is used as Evolutionary Algorithm, which is faster than classical Genetic Algorithms.
Results
Efficiency of the algorithm is assessed on an in silico 5 gene network with 6 gene-gene interactions. The present process recovers successfully all connections with correct type and detects only one false positive. Concerning computation time, one say which one needs 6-8 hours to infer this entire network, where present one needs only about one minute in the best cases to do this.
Future work
The next stage is to evaluate this algorithm on a gold standard: the 50 gene network used as challenge for the second DREAM conference. Using Precision-Recall and ROC curves, obtained results can be directly compared with published ones of participating teams.
LMIS 3 Résumé de Travail pratique de Master 18 Janvier 2008
Magnétomètre NMR type “Flowing water”
Sinicco Gabriella, Section Microtechnique Assistant: Dr. Giovanni Boero Professeur: Prof. Radivoje Popovic
La Résonance Magnétique Nucléaire
(RMI) par « Flowing water » est une technique dans laquelle l’échantillon est un flux d’eau. La mesure des signaux se fait en aval de la région d’excitation. La polarisation, l’excitation et la détection sont séparées. Cette méthode permet de mesurer un large spectre de champs magnétiques, avec la même précision que la RMI. Toutefois, les capteurs commerciaux utilisant cette technique présentent des lacunes en termes de performance et de fiabilité. Metrolab est une entreprise reconnue du domaine des senseurs magnétiques, et désire intégrer un tel capteur optimisé et performant dans leur gamme de produits.
Principe du “Flowing water” NMR Cette thèse de master est un projet
exploratoire qui s’est focalisé sur le développement et l’étude d’un magnétomètre « Flowing water »; le développement d’un logiciel de contrôle et d’acquisition de données, et celui d’un modèle théorique pouvant décrire et prédire les performances et les résultats obtenus.
Signal NMR en conditions de résonance. Comparaison entre les résultats
expérimentaux et le modèle théorique, montrant une bonne concordance
Le prototype produit permet de mesurer des champs magnétiques entre 50 μT et 100 mT. Une étude paramétrique a été faite grâce au logiciel de contrôle Labview qui permet de manière semi-automatique de trouver la fréquence de résonance et de stocker des données. Le comportement du prototype était cohérent avec les principes théoriques. Les effets de la vitesse de l’eau, de la distribution de vitesse d’eau dans le flux et des différents champs ont pu être étudiés.
Un modèle basé sur les équations de Bloch a pu être implémenté dans Matlab. Le modèle a été validé par une série de tests simples qui ont démontré sa crédibilité. Les résultats expérimentaux ont pu être simulés et expliqués grâce au modèle.
Le prototype se comporte de manière similaire au modèle implémenté. Mis à part la dépendance de la fréquence en fonction du champ d’excitation linéairement polarisé, tous les paramètres expérimentaux étudiés ont pu être décrits par ce modèle.
LOB Résumé de Travail pratique de Master 20 juin 2008
Triplet Imaging by Modulated Excitation
Thiemo Spielmann, Section Microtechnique
Assistants: Matthias Geissbühler, Iwan Märki
Professeur: Theo Lasser, MER Boris Hinz
This project aims to develop a novel technique in microscopy yielding an image contrast based on the triplet lifetime. As the triplet state is long lived compared to other excited singlet states, our technique is believed to be more sensitive to the immediate environment of the dye than comporable methods such as Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM).
The determination of the triplet lifetime is based on measuring the fluorescence response to different modulated laser excitation schemes.
Fig.1: triplet and singlet population response to two different excitation schemes.
The fluorescence response depends on the pulse width and period of the excitation modulation. As shown in Fig. 1, for small pulse widths, a small build up of the triplet population is observed, whereas for longer pulse widths, there is a significant triplet population build up.
The Triplet Imaging setup, depicted in Fig. 2, exploits this effect by measuring the response of the fluorophore to different Laser excitation schemes.
Fig. 2: Triplet Imaging Setup
During the project, the prototype setup has been optimized and tested. The results were compared with reference Fluorescence Correlation Spectrocopy (FCS) curves. Furthermore, a linear regression model has been developped for data analysis, taking into account photophysical processes.
Oxygen has been used as triplet quencher as a quantitative way to change the triplet life times. Measurements of the presented triplet imaging technique on the oxygen concentration dependence of the triplet lifetime are in perfect agreement with the the reference FCS results. Preliminary measurements on real biological have initiated the application of the method.
Fig.1: Dependance of the triplet lifetime on [O2] as measured by Triplet Imaging.
LMIS3 Summary of Master Project 20. June 2008
Design of an integrated Compass based on Circular Vertical Hall Device
Venjamin Stojanov, Microengineering Section Assistants: Pavel Keijk, Serge Reymond Professor: Radivoje S. Popovic
Circular Vertical Hall Device (CVHD)
CVHD consists of a n-doped ring with N equally distributed contacts. There are only 5 active contacts at a time which form a vertical Hall device. With a clever switching sequence the active contacts are moved along the ring and an ac signal is generated whose amplitude and phase correspond to the magnitude and direction of the field.
Circular vertical Hall structure
Motivation
CVHDs have shown good results for high magnetic fields. On the other hand they are not well suited for small fields, such as the earth’s magnetic field. Only by pushing CVHDs close to the limit of their capabilities was it possible to facilitate an integrated compass application based on CVHD. The advantage of such a compass is that it is fabricated exclusively with standard CMOS processes and no post-processing is needed. Consequently, the production cost and time are lower for such a compass which is very beneficial for mass production.
It is a very ambitious endeavour as currently no compass exists that is fabricated only with standard CMOS processes.
Design
A thorough investigation on CVHDs and their capabilities has been conducted with the resulting conclusion that a compass based on CVHD is feasible. Consequently, a suitable electric circuit and the layout for the chip fabrication have been designed. The final layout has been sent to a wafer-fab where it still is in production.
The final sensor is completely functional and has all the necessary signal conditioning integrated directly on the same chip. The output voltage is proportional to the angle and no further processing is needed. The chip has a size of 1.8mm x 1.6mm.
Final Layout of integrated compass
The designed electronic compass is expected to have an angle resolution of 0.24° and to be competitive compared to commercially available compasses. However, the exact performance remains to be seen when the produced sensor will be tested.
IPR-LPM Résumé de Travail pratique de Master 18 janvier 2008
Optimisation du processus de production d'un relais électromécanique. Lancement en production d'un nouveau relais de la famille QRC.
Xavier Tardy, Section Microtechnique
Assistant: Felipe Diaz (Releco S.A., Madrid, Espagne) Professeur: Peter Ryser
Ce projet fut effectué chez Releco S.A., entreprise spécialisée dans la production de relais électromécaniques industriels enfichables et implantée à Alcorcón (périphérie de Madrid, Espagne).
Un relais est un produit d'asservissement entre deux circuits. Le premier, dit "de contrôle", fonctionnant à basse tension et à faible courant, gère l'enclenchement du second, dit "de charge", fonctionnant avec des tensions et des courants élevés. Le circuit de contrôle est généralement un circuit logique, isolé du circuit de charge.
Le but de ce projet était de lancer en production un relais dont le design avait été modifié. Pour cela, le système de production du modèle actuel du être compris et une analyse des points d'optimisation possible dans l'optique du nouveau design du être entreprise.
Une étude de coût fut également menée afin de déterminer les éléments coûteux lors de la production de ce relais. Il s'avéra que la main d'œuvre représentait environ 50% des coûts directs. La production d'un relais étant difficilement automatisable en intégralité, en raison de la complexité de son assemblage, et Releco ne pouvant absorber un investissement massif, il fallut donc mettre en évidence les coûts réductibles et ceux difficilement compressibles.
Le design du nouveau relais fut alors étudié en comparaison avec celui de l'actuel. Extérieurement, ils semblent très similaires mais les changements internes impliquent une modification des outils de production et
de nouvelles lignes d'assemblage.
Le projet se conclut ainsi sur la proposition de l'industrialisation du nouveau relais en automatisant une partie de la production et en modifiant les lignes d'assemblage actuelles afin de limiter les investissements nécessaires et d’assurer une diminution des coûts de production.
Fig. 1 - Design du relais actuel.
Fig. 2 - Design du nouveau relais.
LAI Summary of the Master Project 18 January 2008
Modelisation and optimisation of a mechatronic system
Vasko VITANOV, Microengineering Assistant: Miroslav MARKOVIC Professeur: Yves PERRIARD
The objective of this Master Project is the modelisation, simulation and optimisation of a mechatronic system with Matlab/Simulink. The mechatronic system comprises the following parts: three-phase Brushless DC motor, driving electronics and mechanics. The motor is connected to a large mass of 600 kg via a gear box and a drive belt.
The simulations are run with a given displacement profile of the mass. The motor speed follows the profile in the case of the simulated and measured results (Figure 1).
Figure 1: Motor speed solid line,
displacement profile of the mass dashed line
The measurements were made on the setup build by the industrial partner Sonceboz. In Figure 2, the simulated and measured phase currents are given for the same displacement profile.
Figure 2: Simulated phase current up
measured phase current down
We can see by comparing the simulation to the measured results that the global behaviour of the system is similar. This model could be used to perform the optimisation of the system.
EPFL-STI-LMIS4 Master Thesis Abstract January 18th, 2008
Treatment and Analysis of Biological Assays using Microfluidic Imaging Concept
Marc Antoine von Roten, Microengineering Section Assistants: Petra Dittrich and Kaoru Tachikawa (Institute for Analytical Sciences, Dortmund,
Germany)
Professor: Philippe Renaud (EPFL)
A novel concept has been developed for imaging heterogeneous planar samples and tissues based on a micro total analysis system (μTAS). This concept is divided into three major steps: (i) parallel pixelation of the sample, (ii) droplets injection into a microchannel and transfer to a detection window in a two-phase flow and (iii) sequential analysis and image reassembly. A new step (indicated in red) has been introduced to allow integration of sample pre-treatment.
Microfluidic imaging concept.
To serve this purpose, a new PDMS layer with three parallel channels was designed.
The setup for sample treatment is composed of a PMMA slide sandwiched
between two PDMS layers.
The ability of this system to recognise heterogeneity as well as to retain spatial information of the biological composition of the samples has been experimentally demonstrated. Food dyes and fluorescent dyes have been used for application tests of the system. Saccharomyces cerevisiae CenPK (yeast) have been used as biological samples for several proof-of-principle experiments.
Food dyes are pixelated from an agarose gel surface and then captured samples are injected into the 300 μm wide serpentine
channel with the aid of 290 μm aluminium micropillars. Finally, droplets are
transported to the detection point under vacuum.
This microfluidic device has advantages of obtaining non-averaged data from the specimen and reducing the labour intensity required compared with currently available methods.
LIS, EPFL / Bio-Robotics Lab, University of Queensland 20.07.08
Optic-flow-based tracking of moving objects from a moving viewpoint
Yannick Weibel, Microengineering
Supervisors: Jean-Christophe Zufferey (EPFL), Antoine Beyeler (EPFL)
Professors: Mandyam Srinivasan (University of Queensland, Brisbane, Australia)
Dario Floreano (EPFL)
The project investigated a novel approach of
video tracking for autonomous flying vehicles
based on optic-flow. The aim is to detect and
track moving objects using optic-flow
information when the viewpoint itself is in
motion. The task is challenging because in
images taken from a flying vehicle, everything
is moving relative to the vehicle. Our task is to
detect an object of unknown size, colour, and
shape surrounded by a background that is also
moving because the aircraft is in motion.
Figure 1: Difference of Gaussians (DOG) filter
Segmentation of a moving object from its
direct surrounding has been implemented
using a Difference Of Gaussian (DOG) filter.
Figure 1 shows a DOG filter. Basically DOG
filters operate by comparing, at different
locations in an image, a small area of motion
field with a larger area.
Implementation:
The optic flow is computed from video
sequences as shown by the flow chart in
Figure 2. Figure 3 shows optic-flow vectors
from a straight flight over a flat surface with
a camera heading along the flight direction.
Motion information is then used to detect the
moving object through different image
filters, including the DOG filter. Once the
object is detected, it is tracked reliably using
a dynamic model predicting and correcting
its current position from its previous states.
Figure 2: Flow chart of the algorithm
Results:
The algorithm allows the detection of moving
objects when a relative motion between the
object and its direct surrounding is present.
The detection is possible whatever the
direction of the moving object is. As only the
relative motion is used for detection, detection
of camouflaged objects (same visual features
as the surrounding) is a built in property.
Figure 3: Optic-flow vectors when flying straight
over a flat surface
IOA / LOA Abstract of Master Thesis 18. January 2008
Detection and Analysis of Optical Defects in Watch Glasses
Samuel Wüthrich, Section of Microengineering Supervisors: Dr. Thomas Sidler (EPFL), Gian-Carlo Poli and Dr. Simon Springer (Asulab) Professor: René-Paul Salathé
This Master thesis has been realized in the field of optical quality control for The Swatch Group R&D, Division Asulab. The work presents a feasibility study of different optical methods for the automated detection of defects in functional watch glasses. Substrate defects like scratches, volume inhomogeneities, surface defects and resi-dues have to be inspected on sapphire and organic watch glasses of different shapes and with an integrated tactile sensor (thin films). Furthermore, technological defects in the deposits introduced during PVD or spincoating need to be detected. The watch glasses must be analyzed optically and contactless. The system has to be compatible with the industrial production process; time for analysis is less than 10 seconds. The sensor structure, logos and other artificial motifs have to be recognized and inspected. The defects are analyzed and classified and an inventory of optical methods for inspec-tion is established. Possible methods are critically discussed and two promising prin-ciples are evaluated experimentally. An opti-cal setup has been realized for demonstra-tion of the feasibility of the two proposed methods. Further proceeding for the con-struction of the automated system is proposed. The first method detects scattering defects on the surfaces and in the volume of the watch glass in a dark field. A special illumination configuration allows determine-ing, whether the defect is located in the volume or on one of the surfaces of the substrate. The second method reveals a phase contrast of the transparent object by spatial phase filtering in a self-referencing common path interferometer CPI.
Phase contrast of laser engraved structure in PMMA substrate and pinhole defect in
thin film deposit A fibred halogen illumination serves as light source. The filtering is effectuated in a 4f-system by phase shifting the central order of the Fourier spectrum. The filter is a transparent quartz wafer with profile.
Phase contrast image of droplet on thin film
deposit on sapphire, the dark track is the transparent conducting ITO of the sensor
The CPI reveals the microstructure of the tactile sensor and laser engraved motifs. Defects undetected in the dark field are revealed. The combination of the two methods allows detecting the big majority of defects in flat objects for both types of substrates. The systems also work for profiled objects with some constraints.