Submitted by Luciano Silva (lucianonilx@gmail.com) on 2018-10-18T19:54:34Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) / Approved for entry into archive by PPGEE Engenharia Elétrica (mestrado_engeletrica@ufam.edu.br) on 2018-10-19T12:22:09Z (GMT) No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) / Rejected by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br), reason: É necessário anexar a "carta de Encaminhamento para o Autodepósito". Disponível o modelo em http://biblioteca.ufam.edu.br/servicos/teses-e-dissertacoes Dúvidas: ddbc@ufam.edu.br on 2018-10-19T12:54:42Z (GMT) / Submitted by Luciano Silva (lucianonilx@gmail.com) on 2018-10-19T15:23:11Z No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Approved for entry into archive by PPGEE Engenharia Elétrica (mestrado_engeletrica@ufam.edu.br) on 2018-10-22T11:50:50Z (GMT) No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2018-10-22T18:01:03Z (GMT) No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-22T18:01:03Z (GMT). No. of bitstreams: 3 DISSERTAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 3846130 bytes, checksum: 070519d3c19c8e9f1cdb22092cea3b5f (MD5) FOLHA DE APROVAÇÃO - Luciano Lourenço.pdf: 334305 bytes, checksum: aad04436441f1cf1af8fdb9bd5b6c694 (MD5) CARTA DE ENCAMINHAMENTO - LUCIANO LOURENÇO.pdf: 476516 bytes, checksum: 794b5fc4803231de174a7cc3b79d6f55 (MD5) Previous issue date: 2018-06-29 / In recent decades, special attention has been paid to the study of silicon-based biosensors in the field of bioanalytical applications, due to their favorable operating characteristics, which include: good sensitivity, processing speed, miniaturization and low cost. Among these, the Ion Sensing Field Effect Transistor (ISFET) is one of the most popular biosensors and is regarded as the first miniaturized silicon-based chemical sensor. The ISFET conventionally used as a pH sensor has been widely used to measure the concentration of hydrogen ions of a substance (H + or OH-) [1] [2]. This work presents an alternative model for ISFET sensors based on the simulation limitations of the classic model presented by Martinoia [3] [4]. The alternative model can be used in both permanent and transient regime simulations, including also the effect of temperature, where it is desired to investigate the electrical signal resulting from a reading circuit used for the initial treatment of the signal transduced by a pH sensitive ISFET sensor. The electrochemical stage of an ISFET is responsible for emulating the device's ion sensitivity. The alternative model is able to represent this stage through a simpler circuit topology than those found in the literature, without loss of generality. The simulation results using the proposed ISFET model are compatible with those presented in the literature, thus affirming its effectiveness. This work also presents a signal conditioning circuit for ISFET sensors sensitive to pH with temperature compensation. As compared to the conventional circuit topologies found in the literature, besides the temperature effect compensation, the proposed analog interface has at least two advantages. The first is related to simplicity and, consequently, to the reduced size of the circuit; the second is the additional gain conferred to the sensor output signal. Its performance was investigated through simulations performed in SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) simulator using the BSIM3v3 models. The BSIM3 (Berkeley Short Channel Insulated field effect transistor Model) models are public models developed at the University of Berkeley, California; such models are widely used in simulations of analog and digital circuits that use MOS devices of submicron dimensions. The conventional reading circuit topologies for ISFET sensors do not confer sensitivity gain and have their output limited to the sensitivity of the transducer element, as predicted by the Nernst model [2] and observed by Martinoia [3] [4]. The simulation results show that in its basic design, the circuit topology proposed in this work grants additional gains to the sensor output signal, increasing its sensitivity up to forty times the theoretical limit of Nernst; in an alternative design the gain granted reaches up to ten times the sensor limit, but with the compensation of the effect of the temperature. / Nas últimas décadas, uma atenção especial vem sendo dada ao estudo de biosensores baseados em silício no campo de aplicações bioanalíticas, devido as suas características favoráveis de operação que incluem: boa sensibilidade, velocidade de processamento, miniaturização e baixo custo. Entre estes, o Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons (ISFET) é um dos biosensores mais populares e é tido como o primeiro sensor químico à base de silício miniaturizado. O ISFET utilizado convencionalmente como sensor de pH, tem sido amplamente utilizado para medir a concentração de íons de hidrogênio de uma substância (H+ ou OH-) [1] [2]. Este trabalho apresenta um modelo alternativo para sensores ISFET com base nas limitações de simulação do modelo clássico apresentado por Martinoia [3] [4]. O modelo alternativo pode ser empregado tanto em simulações de regime permanente quanto transientes, incluindo também o efeito da temperatura, onde se deseja investigar o sinal elétrico resultante de um circuito de leitura utilizado para o tratamento inicial do sinal transduzido por um sensor ISFET sensível a pH . O estágio eletroquímico de um ISFET é responsável por emular a sensibilidade a íons do dispositivo. O modelo alternativo é capaz de representar esse estágio por meio de uma topologia de circuito mais simples do que as encontradas na literatura, sem perda de generalidade. Os resultados de simulação empregando o modelo de ISFET proposto são compatíveis com os apresentados na literatura, afirmando assim sua eficácia. Este trabalho apresenta ainda um circuito de condicionamento de sinais para sensores ISFET sensíveis a pH com compensação do efeito da temperatura. Quando comparada às topologias de circuito convencionais encontradas na literatura, além da compensação do efeito de temperatura, a interface analógica proposta apresenta pelo menos duas vantagens. A primeira está relacionada à simplicidade e, consequentemente, ao tamanho reduzido do circuito; o segundo é o ganho adicional conferido ao sinal de saída do sensor. Seu desempenho foi investigado através de simulações realizadas em simulador SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasys) utilizando os modelos BSIM3v3. Os modelos BSIM3 (Berkeley Short channel Insulated field effect transistor Model) são modelos públicos desenvolvidas na Universidade de Berkeley, Califórnia; tais modelos são amplamente utilizados em simulações de circuitos analógicos e digitais que se utilizam de dispositivos MOS de dimensões submicrométricas. As topologias de circuitos de leitura convencionais para sensores ISFET não conferem ganho de sensibilidade e têm sua saída limitada à sensibilidade do elemento transdutor, conforme previsto pelo modelo de Nernst [2] e observado por Martinoia [3] [4]. Os resultados de simulação mostram que em sua concepção básica, a topologia de circuito proposta neste trabalho concede ganhos adicionais ao sinal de saída do sensor, aumentando sua sensibilidade em até quarenta vezes o limite teórico de Nernst; numa concepção alternativa o ganho concedido chega a até dez vezes o limite do sensor, mas com a compensação do efeito da temperatura.

Exemplos de comportamento complexo podem ser encontrados em vários sistemas na natureza, como dinâmica de populações, formação de padrões em pelos de animais e a auto regulação do metabolismo. Em geral, sistemas químicos e eletroquímicos apresentam também esse tipo de comportamento complexo e são comumente escolhidos como sistemas-modelo para estudar esses aspectos, uma vez que as variáveis são facilmente controláveis e as medidas são precisas. Apesar dos esforços realizados nas últimas duas décadas, existem ainda lacunas a serem preenchidas entre o mecanismo de reação e a teoria que explica as oscilações. Visando contribuir para o assunto, o presente trabalho trata da eletro-oxidação de etileno glicol sobre platina em meio alcalino em regime potenciostático e galvanostático. Utilizando Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier in situ acoplada com técnicas eletroquímicas, é observado um decréscimo na razão entre a produção de carbonato/oxalato quando o raio dos cátions alcalinos é diminuído na seguinte ordem: Li+ < Na+ < K+. A origem de tal tendência pode ser dada em termos das interações não-covalentes entre os cátions e as espécies oxigenadas adsorvidas na superfície. Os aspectos não-lineares da reação são estudados aumentando a resistência entre o eletrodo de trabalho e o potenciostato. Oscilações com frequências tão altas quanto 40 Hz são observadas, sendo que estas se tornam mais lentas e complexas com o aumento da resistência, mimetizando o comportamento em controle galvanostático. O pH mostrou-se fundamental para o aparecimento do comportamento oscilatório, observado somente nos valores de pH 0, 2 e 14. Baixas correntes de oxidação e baixas frequências de oscilação em meio ácido são contrastadas com altas correntes e frequências em meio alcalino. Além disso, o efeito da temperatura é testado tanto em regime voltamétrico quanto nas séries temporais oscilatórias em pH ácido e alcalino. Em meio ácido, a energia de ativação decresce à medida que o potencial torna-se próximo ao potencial de pico e esta heterogeneidade está, provavelmente, conectada à diferentes rotas reacionais. A energia de ativação calculada através da frequência remete a valores intermediários aos encontrados em regime voltamétrico. Apesar de valores comuns encontrados para os termos de ativação sob regime voltamétrico em meio alcalino, as frequências de oscilação se mostraram quase invariantes com a temperatura, indicando que o sistema apresenta a chamada compensação de temperatura. / Examples of complex behavior can be found in several systems in nature such as population dynamics, animal coat patterns formation and metabolism self-assembly. In general, chemical and electrochemical systems also display this complex behavior and are commonly chosen as workhorses to study these aspects, once the variables are easily controlled and the measurements are precise. Despite the efforts made in this area in the last two decades, there are still gaps between the reaction mechanism and the theory underlying the oscillations. To shed some light on the non-linear aspects of alcohol electro-oxidation, the present work deals with the study the ethylene glycol electro-oxidation reaction in platinum and alkaline media from both gavanostatic and potenciostático control. By means of in situ Fourier Infrared Spectroscopy coupled with electrochemical techniques, it is found a decrease in the ratio of carbonate/oxalate production when the alkaline cations size decreases in the following order: Li+ < Na+ < K+. The origin of this tendency can be rationalized in terms of non-covalent interaction between cations and adsorbed oxygenated species. These interactions are proportional to the cation size and it influences directly the number of available free sites for alcohol adsorption. The non-linear aspects of the reaction are also studied increasing the total resistance between the working electrode and the potenciostat. It is observed oscillation frequencies as high as 40 Hz. Those non-linearities turned slower and more complex as the resistance increases, mimicking the behavior observed under galvanostatic control. The pH is a decisive parameter to the oscillatory behavior, observed only at pH 2, 4 and 14. Low oxidation currents under potential control followed by low frequency oscillations observed in acid media are in contrast to the high current and frequency in alkaline. Moreover the temperature effect is tested in both cyclic voltammetry profile and oscillatory time series in acid and alkaline media. In acid media, the activation energy decrease as the potential turns closer to the peak potential region, this heterogeneity is probably caused by different reactions. The activation energy calculated by oscillation frequency remits to intermediates values in relation to that found under voltammetry control. Although ordinary values for the activation factors are found under linear voltammetry control mode at pH 14, the oscillations frequencies are almost independent of the temperature, indicating that the system shows the, so called, temperature compensation.

Exemplos de comportamento complexo podem ser encontrados em vários sistemas na natureza, como dinâmica de populações, formação de padrões em pelos de animais e a auto regulação do metabolismo. Em geral, sistemas químicos e eletroquímicos apresentam também esse tipo de comportamento complexo e são comumente escolhidos como sistemas-modelo para estudar esses aspectos, uma vez que as variáveis são facilmente controláveis e as medidas são precisas. Apesar dos esforços realizados nas últimas duas décadas, existem ainda lacunas a serem preenchidas entre o mecanismo de reação e a teoria que explica as oscilações. Visando contribuir para o assunto, o presente trabalho trata da eletro-oxidação de etileno glicol sobre platina em meio alcalino em regime potenciostático e galvanostático. Utilizando Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier in situ acoplada com técnicas eletroquímicas, é observado um decréscimo na razão entre a produção de carbonato/oxalato quando o raio dos cátions alcalinos é diminuído na seguinte ordem: Li+ < Na+ < K+. A origem de tal tendência pode ser dada em termos das interações não-covalentes entre os cátions e as espécies oxigenadas adsorvidas na superfície. Os aspectos não-lineares da reação são estudados aumentando a resistência entre o eletrodo de trabalho e o potenciostato. Oscilações com frequências tão altas quanto 40 Hz são observadas, sendo que estas se tornam mais lentas e complexas com o aumento da resistência, mimetizando o comportamento em controle galvanostático. O pH mostrou-se fundamental para o aparecimento do comportamento oscilatório, observado somente nos valores de pH 0, 2 e 14. Baixas correntes de oxidação e baixas frequências de oscilação em meio ácido são contrastadas com altas correntes e frequências em meio alcalino. Além disso, o efeito da temperatura é testado tanto em regime voltamétrico quanto nas séries temporais oscilatórias em pH ácido e alcalino. Em meio ácido, a energia de ativação decresce à medida que o potencial torna-se próximo ao potencial de pico e esta heterogeneidade está, provavelmente, conectada à diferentes rotas reacionais. A energia de ativação calculada através da frequência remete a valores intermediários aos encontrados em regime voltamétrico. Apesar de valores comuns encontrados para os termos de ativação sob regime voltamétrico em meio alcalino, as frequências de oscilação se mostraram quase invariantes com a temperatura, indicando que o sistema apresenta a chamada compensação de temperatura. / Examples of complex behavior can be found in several systems in nature such as population dynamics, animal coat patterns formation and metabolism self-assembly. In general, chemical and electrochemical systems also display this complex behavior and are commonly chosen as workhorses to study these aspects, once the variables are easily controlled and the measurements are precise. Despite the efforts made in this area in the last two decades, there are still gaps between the reaction mechanism and the theory underlying the oscillations. To shed some light on the non-linear aspects of alcohol electro-oxidation, the present work deals with the study the ethylene glycol electro-oxidation reaction in platinum and alkaline media from both gavanostatic and potenciostático control. By means of in situ Fourier Infrared Spectroscopy coupled with electrochemical techniques, it is found a decrease in the ratio of carbonate/oxalate production when the alkaline cations size decreases in the following order: Li+ < Na+ < K+. The origin of this tendency can be rationalized in terms of non-covalent interaction between cations and adsorbed oxygenated species. These interactions are proportional to the cation size and it influences directly the number of available free sites for alcohol adsorption. The non-linear aspects of the reaction are also studied increasing the total resistance between the working electrode and the potenciostat. It is observed oscillation frequencies as high as 40 Hz. Those non-linearities turned slower and more complex as the resistance increases, mimicking the behavior observed under galvanostatic control. The pH is a decisive parameter to the oscillatory behavior, observed only at pH 2, 4 and 14. Low oxidation currents under potential control followed by low frequency oscillations observed in acid media are in contrast to the high current and frequency in alkaline. Moreover the temperature effect is tested in both cyclic voltammetry profile and oscillatory time series in acid and alkaline media. In acid media, the activation energy decrease as the potential turns closer to the peak potential region, this heterogeneity is probably caused by different reactions. The activation energy calculated by oscillation frequency remits to intermediates values in relation to that found under voltammetry control. Although ordinary values for the activation factors are found under linear voltammetry control mode at pH 14, the oscillations frequencies are almost independent of the temperature, indicating that the system shows the, so called, temperature compensation.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-28T20:29:05Z No. of bitstreams: 1 TONY CARLOS MOURA CAVALCANTI – TESE (PPGEEI) 2016.pdf: 4469755 bytes, checksum: 884382b3c566b4aca499dc522be900ab (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-28T20:29:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TONY CARLOS MOURA CAVALCANTI – TESE (PPGEEI) 2016.pdf: 4469755 bytes, checksum: 884382b3c566b4aca499dc522be900ab (MD5) Previous issue date: 2016-12-12 / CNPq / O objetivo neste trabalho é propor um sistema para a hidrometria na faixa de submedição utilizando a anemometria térmica. O objetivo de medir vazão está presente em muitos campos da ciência, sendo necessário sabermos quais os valores de um material foram consumidos com o menor erro possível. Na primeira parte da pesquisa foram realizadas simulações em ambiente multifísico para identificar as condições de trabalho e possíveis pontos de localização do sensor. Para poder usar o sensor, é necessário conhecer valores limítrofes de trabalho do mesmo, ou seja, a faixa de operação, indicando assim a vazão mínima e máxima de operação do sensor anemométrico. Portanto, na segunda etapa do trabalho, foi proposta uma plataforma com um sistema de bombeamento para testar o sistema de medição proposto. A plataforma foi construída de modo a permitir que um fluído flua através de uma tubulação e, assim, determinar qual é a velocidade do fluído e, portanto, a vazão. / The objective of this work is to propose a system for the hydrometry in the sub-measurement range using thermal anemometry. The objective of measuring flow is present in many fields of science, it is necessary to know what values of a material were performed using COMSOL software to identify working conditions and maximum flow rate of the anemometric sensor. Therefore, in the second stage of the work, a platform with a pumping system was proposed in order to test the proposed measurement system. The platform was constructed so as to allow a fluid to flow through a pipeline, and thereby determine what the velocity of the fluid, and hence the flow, is.