Fluid compressional properties sensing at microscale using a longitudinal bulk acoustic wave transducer operated in a pulse-echo scheme

Altres ajuts: Acord transformatiu CRUE-CSICAcoustic devices have been widely used as smart chemical and biochemical sensors since they are sensitive to mechanical, chemical, optical or electrical perturbations on their surfaces; making them a reliable option for noninvasive detection of changes in physical properties of liquid samples for real-time applications. Here we present a longitudinal acoustic wave device for study of compressional properties of liquids in microfluidic systems, with the particularity of pulse-echo mode of operation. We have studied at a microscale the interaction between longitudinal acoustic waves and the compressional properties of liquid samples, interrogating the fluids with short pulses of ultrasound at GHz, finding a direct relationship between the magnitude of the bulk modulus or the specific acoustic impedance of liquids and the amplitude of the output voltage produced by acoustic echoes received by the aluminum nitride transducer. Analytical expressions and FEM simulations support the detection mechanism, while applications such as classification of liquids and detection of concentration change in solutions experimentally demonstrate the method. This contribution overcomes current restrictions of film acoustic resonators such as fragility of operation in liquid environments, high manufacturing cost or limitations regarding narrow microchannels; offering an alternative to applications that demand ultra-low consumption, miniaturization, versatility (it offers multi-frequency operation in 1 - 10 GHz range) and ease of readout (peak voltage)

Millorant les comunicacions sense fils

La telefonia mòbil i altres sistemes de comunicacions sense fils s'han convertit en un dels principals motors de l'electrònica de consum. Per tant, aspectes com l'augment de la duració de bateries i la reducció d'àrea han pres una importància cabdal. Un grup d'investigadors del Departament d'Enginyeria Electrònica de la UAB estudia l'aplicació d'elements mecànics fabricats conjuntament amb circuiteria integrada per tal d'assolir aquests objectius.La telefonía móvil y otros sistemas de comunicaciones inalámbricas se han convertido en uno de los principales motores de la electrónica de consumo. Por tanto, aspectos como el aumento de la duración de baterías y la reducción de área han tomado una importancia capital. Un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UAB estudia la aplicación de elementos mecánicos fabricados conjuntamente con circuitería integrada para conseguir estos objetivos.Cell phones and other wireless communications systems became an important driver of consumer electronics. Therefore, issues like the increase of battery life and area reduction are now important milestones. A group of researchers of the Electronic Engineering department of the UAB are studying the application of mechanical elements fabricated together with circuitry in order to reach these objectives

CMOS-NEMS Copper Switches Monolithically Integrated Using a 65 nm CMOS Technology

This work demonstrates the feasibility to obtain copper nanoelectromechanical (NEMS) relays using a commercial complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology (ST 65 nm) following an intra CMOS-MEMS approach. We report experimental demonstration of contact-mode nano-electromechanical switches obtaining low operating voltage (5.5 V), good ION/IOFF (103) ratio, abrupt subthreshold swing (4.3 mV/decade) and minimum dimensions (3.50 µm x 100 nm x 180 nm, and gap of 100 nm). With these dimensions, the operable Cell area of the switch will be 3.5 µm (length) x 0.2 µm (100 nm width + 100 nm gap) = 0.7 µm2 which is the smallest reported one using a top-down fabrication approach

Nanomechanical switches based on metal-insulator-metal capacitors from a standard complementary-metal-oxide semiconductor technology

We report experimental demonstrations of contact-mode nano-electromechanical switches obtained using a capacitor module based on metal-insulator-metal configuration of a standard commercial complementary metal oxide semiconductor technology. The developed 2 terminals Titanium Nitride switches operate at low voltages (10 V) thanks to its small gap (27 nm), showing an excellent ION/IOFF ratio (104) and abrupt behavior (5 mV/decade, one decade of current change is achieved with a 5 mV voltage variation). A switch configuration is also presented where using two electrodes three different contact mode states can be obtained, adding functionalities to mechanical switches configurations

Top-down CMOS-NEMS polysilicon nanowire with piezoresistive transduction

A top-down clamped-clamped beam integrated in a CMOS technology with a cross section of 500 nm × 280 nm has been electrostatic actuated and sensed using two different transduction methods: capacitive and piezoresistive. The resonator made from a single polysilicon layer has a fundamental in-plane resonance at 27 MHz. Piezoresistive transduction avoids the effect of the parasitic capacitance assessing the capability to use it and enhance the CMOS-NEMS resonators towards more efficient oscillator. The displacement derived from the capacitive transduction allows to compute the gauge factor for the polysilicon material available in the CMOS technology

Localized and distributed mass detectors with high sensitivity based on thin-film bulk acoustic resonators

A mass sensor based on thin-film bulk acoustic resonator, intended for biomolecular applications, is presented. The thin film is a (002) AlN membrane, sputtered over Ti/Pt on a (001) Si wafer, and released by surface micromachining of silicon. Two experiments are proposed to test the mass sensing performance of the resonators: (a) distributed loading with a MgF2 film by means of physical vapor deposition and (b) localized mass growing of a C/Pt/Ga composite using focused-ion-beam-assisted deposition, both on the top electrode. For the distributed and localized cases, the minimum detectable mass changes are 1.58×10−8g/cm2 and 7×10−15g, respectively

Desarrollo de un estimulador eléctrico integrado implantable para el control de la micción en lesionados medulares

La continencia y la micción dependen de una serie de nervios periféricos que se encuentran situados en la zona sacra de la columna vertebral y regulan la actividad del músculo detrusor ( músculo de la vejiga) y del esfínter. La lesión en la médula altera en mayor o menor grado el control de los músculos y órganos cuyo origen esté por debajo de la zona lesionada. La estimulación eléctrica funcional (FES) permite, mediante la aplicación de estímulos eléctricos, devolver la funcionalidad a dichos órganos.El objetivo de esta tesis doctoral es el estudio y la realización, mediante circuitería integrada, de un sistema de estimulación eléctrica implantable reconfigurable que permita, mediante estimulación de las raíces sacras en los lesionados medulares, el control de las funciones básicas (micción, defecación y erección). A su vez, se ha implementado un sistema que nos permite verificar el estado del electrodo, una vez que se ha implantado, así como su posible evolución.A diferencia de los estimuladores existentes, el estimulador implementado nos permite un control exhaustivo de los parámetros de la señal de estimulación, de forma independiente de la distancia entre el implante y la unidad externa. A su vez, a lo largo de esta tesis se ha realizado un estudio mediante simulación de la estimulación eléctrica funcional. Se han visto las distintas prestaciones de diversas configuraciones de electrodos. La estimulación eléctrica origina una activación inicial de las fibras de mayor diámetro, antes que las fibras de diámetros menores. Sin embargo, la activación natural implica un orden inverso (primero se activan las fibras de diámetro menor). Esta diferencia da lugar a que, mediante activación eléctrica la graduación de la fuerza sea pobre y se genere una rápida fatiga. Además, existen ciertas aplicaciones específicas (vaciado de la vejiga e intestino...) que requieren la activación de las fibras delgadas sin activación de las fibras de mayor diámetro. Son diversas las técnicas que se están empleando para conseguir esta estimulación selectiva.En esta tesis se ha estudiado, mediante simulación, la estimulación selectiva de las fibras nerviosas, mediante el empleo del método del bloqueo anódico. Se han generado nuevas señales de estimulación que permiten obtener un ahorro en la carga inyectada durante el estímulo.Continence and micturition depend on peripheral nerves that are situated in the sacral spinal cord and regulate the activity of the detrusor muscle (bladder muscle) and sphincter. The lesion in the spinal cord modifies the control of muscles and organs which origin is situated under the lesion zone. Functional electrical stimulation (FES) allows, meanwhile the use of electrical stimuli, to recover the functionality. The goal of this work is the study and development of an electrical stimulation integrated system that allows, meanwhile sacral root stimulation in paraplegic patients, the control of the basic functions (such as micturition, defecation and erection). Moreover, a system that allows to test the electrode and its time evolution, while it is implanted, has been implemented.By comparing with commercial stimulators, the implemented stimulator allows us to control exactly all the parameters of the stimuli generated, without any modifications due to the external and the implanted unit distance. In addition to, along the thesis a computer study of the electrical stimulation has been performed. Different electrode configurations have been analysed. Functional electrical stimulation generates initial large fiber diameter activation, before the small fibers do. However, natural recruitment order is from small to large. This difference cause that, by using electrical stimulation, the strength force be poor and a fast fatigue occurs. Besides, there are several specific applications (bladder and bowel voiding) that need the activation of the small diameter fibers without the large fiber diameter activation. Different techniques are been applied in order to obtain this selective stimulation.In this thesis, nerve fiber selective stimulation has been studied, by means of simulation. Anodal block technique has been used. New stimulation waveforms have been designed in order to obtain a reduction in the amount of charge injected

Millorant les comunicacions sense fils

La telefonia mòbil i altres sistemes de comunicacions sense fils s'han convertit en un dels principals motors de l'electrònica de consum. Per tant, aspectes com l'augment de la duració de bateries i la reducció d'àrea han pres una importància cabdal. Un grup d'investigadors del Departament d'Enginyeria Electrònica de la UAB estudia l'aplicació d'elements mecànics fabricats conjuntament amb circuiteria integrada per tal d'assolir aquests objectius.La telefonía móvil y otros sistemas de comunicaciones inalámbricas se han convertido en uno de los principales motores de la electrónica de consumo. Por tanto, aspectos como el aumento de la duración de baterías y la reducción de área han tomado una importancia capital. Un grupo de investigadores del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UAB estudia la aplicación de elementos mecánicos fabricados conjuntamente con circuitería integrada para conseguir estos objetivos.Cell phones and other wireless communications systems became an important driver of consumer electronics. Therefore, issues like the increase of battery life and area reduction are now important milestones. A group of researchers of the Electronic Engineering department of the UAB are studying the application of mechanical elements fabricated together with circuitry in order to reach these objectives

Hybrid integration of MEMS technology and rapid - prototyping techniques : design, fabrication and characterization of electrochemical devices and miniaturized microbial fuel cells /

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquímcos miniaturizados, con énfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquímicos. Para conseguir este objetivo, está tesis está centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrías para microelectrodos y mejor fabricación y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturización de dispositivos electroquímicos está en la reducción de al superficie activa de los electrodos resultado en señales más pequeñas. Sin embargo, la introducción de técnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografía grabados seco y húmedo, deposición de metales o dieléctricos por métodos físicos o químicos o procesos térmicos rápidos se han convertido en una vía real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturación de dispositivos electroquímicos miniaturizados. Además el uso de herramientas computacionales basadas en métodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseño de estos dispositivos porque la quinética del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricación. El primer capítulo es una introducción a los fundamentos de la electroquímica, al diseño, a la fabricación y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera sección se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquímica. La segunda sección introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquímicos desarrollados en el capítulo 4. Finalmente la última sección cubre los materiales y métodos utilizados, incluyendo la microfabricación de los electrodos y las técnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capítulo comienza con la teoría del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuación, el modelo computacional de un único dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricación de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposición de oro y también por la combinación de grabado seco y metalización por deposición de oro mediante sputtering. El capítulo cierra con la caracterización electroquímica de los dos arrays, lo que permitió comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capítulo tres se dirige a la síntesis y fabricación de discos de electrodos de carbón para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbón están basados en la pirólisis de fotoresina. Esta técnica combina fotolitografía y procesos térmicos rápidos. Además las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposición química de dieléctricos, también los electrodos fueron físicamente y electroquímicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El último capítulo se centra en encontrar una aplicación a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicación escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante técnicas de prototipaje rápido, donde en cada caso una geometría diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento eléctrico de las pilas de combustible microbianas.The aim of this thesis is to improve the performance of miniaturized electrochemical devices, with emphasis in microbial fuel cells and electrochemical sensors. To achieve this goal, this thesis focuses on the development of new electrode materials, new microelectrode geometries, and better fabrication and packaging processes. An important drawback in the miniaturization of electrochemical devices lies in that the reduction of the active area of the electrodes results in smaller signals. However, the introduction of silicon micromachining techniques such as photolithography, wet and dry etching, metal or dielectric coating by physical and chemical deposition or rapid thermal processes has become a realistic way to solve all the problems regarding the manufacturing of miniaturized electrochemical devices. In addition the use of computational tools based on finite element methods has helped extraordinarily in the design of these devices because both electrode kinetics and mass transport can be simulated and studied prior to fabrication. The first chapter is an introduction of the fundamentals of electrochemistry, design, fabrication and applications to develop the work described in this thesis. The first section focuses on explaining the fundamental aspects of electrochemistry. The second section fuel cells are introduced because it is the electrochemical device developed in chapter 4. Finally the last section covers the materials and methods used, including the microfabrication of the electrodes and the prototyping techniques used to fabricate the miniaturized microbial fuel cells. The second chapter begins with the theory of mass transport at fully-conducting micropillars. Following this, the computational model of a single domain is developed using COMSOL. The fabrication of fully-conducting micropillar array electrodes was achieved by gold electrodeposition and also by a combination of dry etching and sputtered gold deposition. The chapter closes with the electrochemical characterization of both arrays, which allowed to compare their response and found out which route was better. Chapter three addresses the synthesis and fabrication of carbon disk electrodes to detect mercury in aqueous samples. These carbon electrodes are based on the pyrolysis of photoresist. This technique combines photolithograpy and a rapid thermal process. Besides the active window of these electrodes was defined by the chemical deposition of dielectric layers, also the electrodes were physically and electrochemically characterized. Once these electrodes were completely studied they were used to detect mercury in a stagnant solution. The last chapter focuses on finding an application for the fully-conducting micropillar array electrodes. The application chosen was a miniaturized microbial fuel cell fabricated by rapid-prototyping techniqueswhere in each case a different geometry with the aim of find out if the use of micropillar array helps to improve the electrical performance of microbial fuel cells

High Performance Seesaw Torsional CMOS-MEMS Relay Using Tungsten VIA Layer

In this paper, a seesaw torsional relay monolithically integrated in a standard 0.35 μm complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology is presented. The seesaw relay is fabricated using the Back-End-Of-Line (BEOL) layers available, specifically using the tungsten VIA3 layer of a 0.35 μm CMOS technology. Three different contact materials are studied to discriminate which is the most adequate as a mechanical relay. The robustness of the relay is proved, and its main characteristics as a relay for the three different contact interfaces are provided. The seesaw relay is capable of a double hysteretic switching cycle, providing compactness for mechanical logic processing. The low contact resistance achieved with the TiN/W mechanical contact with high cycling life time is competitive in comparison with the state-of-the art