New Fabrication Methodologies for the Development of Low Power Gas Sensors Based on Semiconducting Nanowires

[eng] The air and environment quality is, nowadays, one of the main political concerns of the governmental institutions. Suitable gas detection is nowadays an important requirement, which is provided by gas sensors. Metal oxide semiconductors are the most common materials used as semiconducting gas sensors. They can be used with different type of operational mechanisms, like resistive, capacitive or optical based sensors, among others. The main objective of this dissertation is to contribute towards the improvement of gas sensors based on semiconducting nanowires. The easy integration of nanowires in low consumption devices is the fundamental idea that guides this dissertation, and the subsequent characterization of the sensors. Furthermore, the low power consumption of the device is a constant condition of the presented procedures, implemented by means of MEMS substrate that has been used as platform for all the fabricated sensors. The easy integration of nanowire-based devices by using localized growth on top of sensing platforms has been developed, by a site-specific growth of SnO2 and Ge nanowires on top of micromembranes and microhotplates, on the sensing area of the gas sensors. The fabrication procedure allows in single process the growth of NW networks on top of the electronic platforms that will be used for the gas sensing, an important step forward towards the integration of nanowires on electronic devices. On the other hand, the fabricated devices can be used as gas sensors readily after the growth. The gas sensing behaviour of SnO2 networks have been characterized towards different gases; specifically, the kinetics of ammonia response in dry and humid air has been analysed in detail. In addition, the influence of water vapour is analysed, and thus, the chemical paths of the interaction with ammonia have been related to the operating temperature. Furthermore, the synthesized meshes of Ge NWs have been for the first time, at the best of our knowledge, studied as a gas sensor. The chemical interactions towards oxidizing and reducing gases are analysed, paying important attention on the structural characterization, which results primordial for the analysis of sensing behaviour. A procedure based on electron beam lithography is explored in order to fabricate individual nanowire-based devices on top of microhotplates and micromembranes. The experimental procedure for that is detailed in the different steps. The individual nanowires have also studied as a gas sensor, whose results are discussed and compared to their mesh counterpart.[spa] La tesis titulada New Fabrication Methodologies for the Development of Low Power Gas Sensors Based on Semiconducting Nanowires, se enmarca dentro de los sensores de gas para la monitorización ambiental de la calidad del aire, con el objetivo de detectar la presencia de gases nocivos para la salud humana. El trabajo desarrollado se basa en el uso de sensores de gas resistivos, es decir, que la adsorción de un gas en la superficie del sensor da lugar a un cambio en la conductividad del sensor, el cual repercute en un cambio de su resistencia medible experimentalmente. Los materiales utilizados son los óxidos metálicos, materiales semiconductores de banda prohibida ancha (entre 2 y 4 eV). Generalmente, los óxidos metálicos necesitan ser calentados a una temperatura por encima de 150 ºC para promover la interacción con los gases adsorbidos, que se lleva a cabo mediante la denominada quimisorción, una interacción localizada que implica una transferencia de carga entre el semiconductor y la especie de gas. Dado que el gas se adsorbe en la superficie del material, el mecanismo es considerado como superficial, cuya sensibilidad depende en gran medida, entre otros efectos, del ratio superficie/volumen. Así pues, las nanoestructuras aparecen como candidatas óptimas para ser utilizadas como sensor de gas. En la tesis mencionada, se utilizan estructuras unidimensionales, concretamente nanohilos semiconductores como parte activa. El principal desafío para la comercialización de sensores basados en nanohilos es, actualmente, la integración de estos en un dispositivo de forma eficiente y escalable. Un nuevo método de fabricación que mejor la integración de los nanohilos en sus plataformas electrónicas ha sido desarrollado, basado en el crecimiento localizado de nanohilos monocristalinos sobre microplacas calefactoras, es decir, membranas de dimensiones micrométricas que contienen un microcalefactor enterrado. El calefactor es utilizado para proporcionar la temperatura necesaria para la termólisis del precursor durante el crecimiento, y para calentar y promover la reacción durante el sensado de gas. Mediante este proceso han sido crecidos nanohilos de SnO2 y de Ge, en forma de redes con múltiples nanohilos conectados entre sí. Los dispositivos fabricados han sido caracterizados como sensores de gas. Los nanohilos de dióxido de estaño presentan la máxima respuesta ante amoníaco. Los mecanismos químicos que se dan lugar durante la interacción entre el amoníaco y el semiconductor han sido analizados a partir de la respuesta cinética y los distintos fenómenos observados, en aire seco y húmedo. Los nanohilos de Ge han sido estudiados por primera vez como sensores de gas, manteniendo una temperatura de 100 ºC. El comportamiento de tipo p de los nanohilos ha sido determinado a partir de medidas de efecto campo. Los nanohilos presentan una capa de óxido de Ge en la superficie, de alrededor de 1 nm, que posee un papel clave en la interacción, ya que contiene sitos de adsorción para el sensado de gas. El mecanismo de sensado de Ge se concluye como consistente con un óxido metálico de tipo p. Por otro lado, han sido fabricados sensores de gas basados en nanohilos individuales de SnO2 mediante un proceso basado en litografía por haz de electrones, sobre micromembranas calefactores suspendidas. El proceso ha sido integrado y adaptado para el tipo de micromembranas, que presentan rugosidades en la superficie. Los dispositivos fabricados han sido caracterizados como sensor de gas y comparados con las redes de nanohilos del mismo material

Silici nanocristal·lí per aplicacions fotovoltaiques

El projecte final de màster titulat “Silici nanocristal·lí per aplicacions fotovoltaiques” tracta les propietats òptiques i estructurals del silici nanocristal·lí integrat en una estructura de bicapes de matrius dielèctriques i matrius dielèctriques de composició no estequiomètrica amb excés de silici. El primer capítol proporciona un marc introductori on s’esmenten diversos aspectes a conèixer en el desenvolupament del projecte. A continuació, el segon apartat detalla les propietats més importants del silici cristal·lí així com les característiques que fan del silici nanocristal·lí una aplicació interessant en el camp de les cèl·lules solars. La tercera secció descriu quin és el mètode de preparació de les mostres amb estructura de bicapes, i desenvolupa les tècniques experimentals emprades en l’anàlisi de les mostres, mostrant els mecanismes físics involucrats i detallant els dispositius experimentals. A continuació, es presenten els resultats obtinguts en les mesures experimentals, i es discuteixen els aspectes més importants, donant-ne una justificació. El cinquè capítol mostra els valors proporcionats per la simulació realitzada amb el software AFORS-HET, introduint dades experimentals en aquest per a analitzar la viabilitat de les mostres com a dispositius fotovoltaics. Finalment, es realitza un recull dels aspectes més rellevants observats al llarg de l’elaboració del projecte, i s’esmenten altres treballs a realitzar que enllacen amb el present projecte

HELP: Optimizing Treatment of Parkinson’s Disease Patients

3rd International Conference on the Elderly and New Technologies. III Jornadas Internacionales de Mayores y Nuevas Tecnologías.This paper presents a novel health monitoring system for Parkinson’s disease (pd) patients called help (Home-based Empowered Living for Parkinson’s disease patients). The help system has been specifically designed and implemented as a health monitoring system in order to optimize treatment and improve quality of life of people with Parkinson’s. This is a challenging goal due to the difficulty in establishing a closed-loop system that is able to detect the outcomes of treatment and react accordingly. In a similar way to diabetes treatment where the plasma glucose level can be measured and can be used to regulate drug doses, the help system’s approach aims to estimate pd symptoms and to adjust the dose of medication in order to reduce symptoms. The proposed health monitoring system is composed of several components: a body sensor & actuator network managed by a smartphone, a remote monitoring platform for doctors and clinical professionals as well as a telecommunication and service infrastructure. The real advantage derives from having constant medical control without dramatically modifying daily life. The help system is going to be evaluated in several cities during the first part of 2012 under daily living conditions with pd patients.En este trabajo se presenta un nuevo sistema de vigilancia de la salud para pacientes con la enfermedad de Parkinson (ep), pacientes llamados help (Fortaleciendo la vida en el hogar de pacientes con la enfermedad Parkinson). El sistema de ayuda ha sido específicamente diseñado e implementado como un sistema de vigilancia de la salud con el fin de optimizar el tratamiento y mejorar la calidad de vida de las personas con Parkinson. Este es un objetivo difícil debido a la dificultad del establecimiento de un sistema de circuito cerrado que es capaz de detectar los resultados del tratamiento y reaccionar en consecuencia. Es una manera similar al tratamiento de la diabetes donde el nivel de glucosa en plasma se puede medir y se puede utilizar para regular las dosis de medicamentos; el enfoque del sistema de ayuda tiene por objeto estimar los síntomas de la ep y ajustar la dosis de la medicación con el fin de reducir los síntomas. El sistema de vigilancia de la salud propuesto se compone de varios componentes: un sensor corporal y un actuador de red gestionado por un smartphone, una plataforma de monitorización remota para los médicos y clínicos profesionales, así como el uso de telecomunicaciones y servicios de infraestructura. La verdadera ventaja deriva de que tiene un constante control médico sin modificar drásticamente la vida cotidiana. El sistema help va a ser evaluado en varias ciudades durante la primera parte del año 2012 en condiciones de vida diaria con pacientes con ep

A double closed loop to enhance the quality of life of Parkinson's disease patients: REMPARK system

This paper presents REMPARK system, a novel approach to deal with Parkinson's Disease (PD). REMPARK system comprises two closed loops of actuation onto PD. The first loop consists in a wearable system that, based on a belt-worn movement sensor, detects movement alterations that activate an auditory cueing system controlled by a smartphone in order to improve patient's gait. The belt-worn sensor analyzes patient's movement through real-time learning algorithms that were developed on the basis of a database previously collected from 93 PD patients. The second loop consists in disease management based on the data collected during long periods and that enables neurologists to tailor medication of their PD patients and follow the disease evolution. REMPARK system is going to be tested in 40 PD patients in Spain, Ireland, Italy and Israel. This paper describes the approach followed to obtain this system, its components, functionalities and trials in which the system will be validated.Postprint (published version

REMPARK system assessment: Main results

Parkinson's Disease (PD) is a neurodegenerative disorder that manifests with motor and non-motor symptoms. PD treatment is symptomatic and tries to alleviate the associated symptoms through an adjustment of the medication. As the disease is evolving and this evolution is patient specific, it could be very difficult to properly manage the disease. The current available technology (electronics, communication, computing, etc.), correctly combined with wearables, can be of great use for obtaining and processing useful information for both clinicians and patients allowing them to become actively involved in their condition. Parkinson's Disease Management through ICT: The REMPARK Approach presents the work done, main results and conclusions of the REMPARK project (2011 - 2015) funded by the European Union under contract FP7-ICT-2011-7-287677. REMPARK system was proposed and developed as a real Personal Health Device for the Remote and Autonomous Management of Parkinson's Disease, composed of different levels of interaction with the patient, clinician and carers, and integrating a set of interconnected sub-systems: sensor, auditory cueing, Smartphone and server. The sensor subsystem, using embedded algorithmics, is able to detect the motor symptoms associated with PD in real time. This information, sent through the Smartphone to the REMPARK server, is used for an efficient management of the disease. Implementation of REMPARK will increase the independence and Quality of Life of patients; and improve their disease management, treatment and rehabilitation.Peer ReviewedPostprint (published version

Site-selectively grown SnO2 NWs networks on micromembranes for efficient ammonia sensing in humid conditions

SnO2 NWs networks on heated micromembranes have been characterized as ammonia sensors. The approach allows achieving reproducible growth and stable and long-lasting ammonia sensors with site-specific grown SnO2 NWs. The devices have been tested both in dry and humid conditions showing response time down to two minutes. Sensors have been tested up to 1 month, only presenting variation of the base resistance with full retention of the response towards the gaseous analytes. Different concurrent sensing mechanisms have been identified relating the determined sensing kinetics with previous theoretical calculations. Specifically, oxygen dissociation seems to play a key role in the overall ammonia sensing sequence. In humid conditions, moisture reduces the response to ammonia but also lowers the activation energy of the reaction process

Formaldehyde sensing mechanism of SnO2 nanowires grown on-chip by sputtering techniques

Tin dioxide nanowires have been grown by thermal oxidation of sputtered thin films by means of a VLS method. A tin sputtered layer catalyzed by gold nanoparticles, acts as material seed for the localized growth of NWs directly on gas sensor devices, avoiding the manipulation and transport of the nanowires to the electrodes. XRD and HRTEM analysis show that the nanowires crystallize in a rutile structure with a [100] preferential growth direction and are single-crystalline with diameters lower than 50 nm. The response of nanowires to formaldehyde has been compared to thin film based sensors. A sensitivity of 0.10 ppm-1 is reported, twofold the sensitivity of the thin film and short response and recovery times are measured (6 times shorter than thin films). The sensing mechanism proposed for the SnO2 NWs under formaldehyde exposure is explained by means of conduction measurements and FT-IR analysis. Oxygen species chemisorbed on the surface of each SnO2 nanowire produce a band bending, which generates a potential barrier (of 0.74± 0.02 eV at 300 ºC) between the point contact of different nanowires. As evidenced by IR spectroscopy at 300 ºC, electrons in the conduction band and in mono-ionized oxygen vacancies (at 0.33 eV below the bottom of the conduction band) are responsible for gas detection

Locally grown SnO2 NWs as low power ammonia sensor

Localized growth of SnO2 nanowires on top of CMOS compatible micromembranes that incorporate a buried heater and prepatterned interdigitated electrodes has been achieved that presents the advantage that it allows to easily and directly integrate the advantageous properties of quasi-one dimensional structures in an advanced electronic device by a Vapor Liquid Solid (VLS) mechanism. A NWs based sensor of this type is characterized as a low power gas sensor towards NH3 at different temperatures. Stable and reproducible response is obtained, that allows detecting concentrations below the time-weighted average exposure limit for 8 h

Silici nanocristal·lí per aplicacions fotovoltaiques

El projecte final de màster titulat “Silici nanocristal·lí per aplicacions fotovoltaiques” tracta les propietats òptiques i estructurals del silici nanocristal·lí integrat en una estructura de bicapes de matrius dielèctriques i matrius dielèctriques de composició no estequiomètrica amb excés de silici. El primer capítol proporciona un marc introductori on s’esmenten diversos aspectes a conèixer en el desenvolupament del projecte. A continuació, el segon apartat detalla les propietats més importants del silici cristal·lí així com les característiques que fan del silici nanocristal·lí una aplicació interessant en el camp de les cèl·lules solars. La tercera secció descriu quin és el mètode de preparació de les mostres amb estructura de bicapes, i desenvolupa les tècniques experimentals emprades en l’anàlisi de les mostres, mostrant els mecanismes físics involucrats i detallant els dispositius experimentals. A continuació, es presenten els resultats obtinguts en les mesures experimentals, i es discuteixen els aspectes més importants, donant-ne una justificació. El cinquè capítol mostra els valors proporcionats per la simulació realitzada amb el software AFORS-HET, introduint dades experimentals en aquest per a analitzar la viabilitat de les mostres com a dispositius fotovoltaics. Finalment, es realitza un recull dels aspectes més rellevants observats al llarg de l’elaboració del projecte, i s’esmenten altres treballs a realitzar que enllacen amb el present projecte

Silici nanocristal·lí per aplicacions fotovoltaiques

El projecte final de màster titulat “Silici nanocristal·lí per aplicacionsfotovoltaiques” tracta les propietats òptiques i estructurals del silici nanocristal·líintegrat en una estructura de bicapes de matrius dielèctriques i matrius dielèctriques decomposició no estequiomètrica amb excés de silici.El primer capítol proporciona un marc introductori on s’esmenten diversos aspectesa conèixer en el desenvolupament del projecte.A continuació, el segon apartat detalla les propietats més importants del silicicristal·lí així com les característiques que fan del silici nanocristal·lí una aplicacióinteressant en el camp de les cèl·lules solars.La tercera secció descriu quin és el mètode de preparació de les mostres ambestructura de bicapes, i desenvolupa les tècniques experimentals emprades en l’anàliside les mostres, mostrant els mecanismes físics involucrats i detallant els dispositiusexperimentals.A continuació, es presenten els resultats obtinguts en les mesures experimentals, ies discuteixen els aspectes més importants, donant-ne una justificació.El cinquè capítol mostra els valors proporcionats per la simulació realitzada amb elsoftware AFORS-HET, introduint dades experimentals en aquest per a analitzar laviabilitat de les mostres com a dispositius fotovoltaics.Finalment, es realitza un recull dels aspectes més rellevants observats al llarg del’elaboració del projecte, i s’esmenten altres treballs a realitzar que enllacen amb elpresent projecte