La separación de mezclas gaseosas olefina/parafina representa uno de los procesos más importantes y a la vez más complicados de la industria química. Durante más de 60 años esta separación se ha venido realizando mediante destilación, que no sólo requiere una elevada inversión de capital, sino que también es un proceso altamente demandante en energía. Por lo tanto el desarrollo de un proceso de separación más sostenible es cada vez más importante. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un proceso alternativo de separación de mezclas gaseosas olefina/parafina a través de la integración de la reacción entre olefinas y los iones de plata, líquidos iónicos y tecnologías de membrana. / The separation of olefin/paraffin gas mixtures represents one of the most important and also the most challenging processes in the chemical industry. For over 60 years, this separation is being performed by distillation, which not only requires high capital investment, but also it is a very highly energy demanding processes. Therefore the development of a more sustainable separation process is becoming increasingly important. This thesis aims to the development of an alternative olefin/paraffin gas mixtures separation process through the integration of the reaction between olefins and silver ions, ionic liquids and membrane technology.

Aquesta tesi ha estat realitzada al Centre Nacional de Microelectrònica, Institut de Microelectrònica de Barcelona (CNM-IMB) que és un institut d'investigació que forma part del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). La memòria és un recull de la feina realitzada per en Luis Guillermo Villanueva Torrijo sota la direcció del Professor d'Investigació Joan Bausells Roigé al període comprès entre setembre de 2002 i octubre de 2006. El treball queda dividit en tres apartats, tots tres relacionats amb el disseny i la fabricació de bigues de mida micromètrica (micro-cantilevers en anglès) per a diferents aplicacions. Al segon capítol es descriu la feina realitzada amb bigues piezoresistives. L'objectiu fonamental d'aquesta part del treball consistia en la fabricació d'un element sensor capaç de detectar forces dins del rang de 10 a 100 pN. Per això, en primer lloc, es va realitzar una anàlisi teòrica del comportament d'aquestes estructures mecàniques quan se les hi aplica una força al seu extrem lliure. També es va estudiar el soroll (tant electrònic com mecànic) que presentaven. D'aquesta manera, es van establir uns criteris per a la maximització de la sensibilitat i la resolució del sensor. Els resultats analítics es van comparar amb els resultats de simulacions per elements finits, obtenint divergències molt baixes. Això va ser interpretat com una validació dels resultats analítics. Es van dissenyar i fabricar unes bigues piezoresistives de polisilici amb forma de "U". Les dimensions i la resta de paràmetres es van determinar mitjançant els criteris obtinguts per l'optimització del comportament de les bigues. Aquestes es van fabricar a la Sala Blanca del CNM i també fent servir una tecnologia CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Els processos de fabricació dins de la Sala Blanca del CNM es van optimitzar per augmentar el rendiment de les oblies. Així, finalment, es va arribar a un rendiment que estava a prop del 95% (aproximadament 95 de cada 100 dispositius es van obtenir correctament). Es va optimitzar el post procés dels xips CMOS al CNM per obtenir un alt rendiment. En aquest cas no només es va considerar la supervivència de les estructures, sinó també la dels circuits CMOS integrats al costat de les bigues. Aquests circuits, dissenyats al ETH de Zürich, consisteixen en un filtre i un amplificador per a millorar la resolució del sensor. Una vegada fabricats, els dispositius es van caracteritzar. La part principal d'aquesta caracterització recollia dos aspectes: la mesura del soroll del senyal de sortida del circuit i la determinació de la sensibilitat dels dispositius. Considerant tots dos resultats es va calcular la resolució dels sensors. Els millors resultats obtinguts van ser aproximadament 30 nN per a les bigues fabricades al CNM i 30 pN per les bigues fetes amb tecnologia CMOS. Aquesta diferència de tres ordres de magnitud a la resolució és deguda als circuits amplificadors i ens permetria mesurar forces al rang requerit. Per altra banda, amb l'objectiu de realitzar mesures de conducció en un ambient líquid, es van fabricar unes bigues conductores però aïllades. La capa conductora en aquestes bigues (una capa d'or) ha d'estar aïllada del exterior per una capa dielèctrica (nitrur de silici) per disminuir d'aquesta manera les capacitats paràsites. Al extrem lliure, s'ha de situar una punta de polisilici afilada per poder escanejar superfícies. La punta ha d'estar coberta per or i, sobre l'or, tenir nitrur a tot arreu menys al vèrtex. Per obtenir aquests dispositius, es va optimitzar el gravat de puntes de polisilici obtenint finalment puntes amb un diàmetre de vèrtex més petit que 20 nm (fent servir un atac sec en un equip DRIE seguit d'unes oxidacions per esmolar). A més, es va realitzar un estudi dels esforços interns per intentar obtenir bigues planes. A l'última part del treball, es va dur a terme la fabricació de sondes per AFM (bigues amb una punta esmolada al seu extrem lliure). Aquests dispositius es fan servir moltíssim actualment per caracteritzar superfícies i realitzar experiments que requereixen molta precisió i/o resolució. L'objectiu fonamental d'aquesta feina era el possibilitar la fabricació de sondes per AFM al nostre centre de manera que els dissenys poguessin ser triats pels investigadors d'acord amb les necessitats de cadascú d'ells. Per això, es van considerar diferents materials i processos de fabricació de puntes. La millor opció va ser el gravat sec amb un equip DRIE d'unes puntes "tipus coet" amb una part superior afilada, situada al cim d'una columna cilíndrica. Els processos de gravat es van optimitzar per així obtenir una alta uniformitat arreu de l'oblia, així com uns perfils de puntes apropiats per poder fer-les servir en un AFM. A continuació, es van fabricar sondes completes. Per comprovar com de bona era la tecnologia de fabricació que havíem dissenyat, es van fabricar dispositius de dos tipus diferents: per fer-les servir en mode contacte (constant elàstica baixa) i per fer-les servir en mode dinàmic (constant elàstica alta). Aquests dispositius es van utilitzar per escanejar unes mostres d'alumini i es van comparar amb els resultats obtinguts amb sondes comercials, obtenint resultats similars en ambdós casos. Finalment, es van fabricar sondes per a aplicacions específiques: sondes amb puntes amb la part superior plana per l'estudi de la elasticitat de polímers i materials biològics (molt baix mòdul de Young) i sondes amb bigues d'una geometria especial per a que les freqüències de ressonància del mode fonamental i del primer harmònic transversal estiguessin més juntes, per així millorar la detecció del potencial de superfície en la tècnica KPFM. Amb la fabricació d'aquestes puntes, es va demostrar que el disposar d'una tecnologia que permetés la fabricació de sondes pot ser molt útil per al desenvolupament de noves aplicacions de l'AFM. / Este trabajo queda dividido en tres apartados, todos ellos relacionados con el diseño y fabricación de vigas en voladizo de tamaño micrométrico (micro-cantilevers en inglés) para diferentes aplicaciones. En el segundo capítulo se describe el trabajo realizado con vigas piezorresistivas. El objetivo fundamental de esa parte del trabajo consistía en la consecución de un elemento sensor capaz de detectar fuerzas en el rango de 10 a 100 pN. Para ello, en primer lugar, se realizó un detallado análisis teórico del comportamiento de estas estructuras mecánicas cuando se les aplica una fuerza en su extremo libre. Se estudió asimismo el ruido (tanto eléctrico como mecánico) presente en ellas. De esta manera se establecieron unos criterios para la maximización de la sensibilidad y la resolución del sensor. Los resultados analíticos se compararon con los resultados de simulaciones por elementos finitos, obteniendo divergencias muy bajas, lo cual fue interpretado como una validación de los primeros. Se diseñaron y fabricaron unas vigas piezorresistivas de polisilicio con forma de U. Las dimensiones y demás parámetros se fijaron mediante los criterios obtenidos para la optimización del comportamiento de las vigas. Las vigas se fabricaron tanto en la Sala Blanca del CNM como usando una tecnología CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Los procesos de fabricación dentro de la Sala Blanca del CNM se optimizaron para aumentar el rendimiento de las obleas. De esta forma, finalmente, se alcanzó un rendimiento cercano al 95% (aproximadamente 95 de cada 100 dispositivos se obtuvieron correctamente). Se optimizó asimismo el post proceso de los chips CMOS en el CNM para obtener un alto rendimiento. En este caso, se consideró la supervivencia de las estructuras mecánicas así como de la circuitería CMOS integrada junto con las vigas. Esta circuitería, diseñada en el ETH de Zürich, consistía en un filtro y un amplificador para mejorar la resolución del sensor. Una vez fabricados, los dispositivos se caracterizaron. La parte central de esta caracterización englobó dos aspectos: la medida del ruido de la señal de salida del circuito y la determinación de la sensibilidad de los dispositivos. Teniendo en cuenta ambos resultados se calculó la resolución de nuestros sensores. Los mejores resultados obtenidos fueron de unos 30 nN para las vigas fabricadas en el CNM y de unos 30 pN para las provenientes de la tecnología CMOS. Esta diferencia de tres órdenes de magnitud en la resolución es debida a la circuitería adjunta a los dispositivos transductores (vigas) y nos permitiría medir fuerzas del orden de magnitud requerido. Por otro lado, con el objetivo de realizar medidas de conducción en medio líquido, se fabricaron unas vigas conductoras pero aisladas. La capa conductora en dichas vigas (capa de oro) ha de estar aislada del exterior por medio de una capa dieléctrica (nitruro de silicio) para así disminuir las capacidades parásitas. En el extremo libre, se ha de situar una punta de polisilicio afilada para poder escanear superficies. Dicha punta ha de estar cubierta por oro y, sobre el oro, tener nitruro en todas partes salvo en el vértice. Para obtener estos dispositivos, se optimizó el grabado de puntas de polisilicio, obteniendo finalmente puntas con un diámetro de vértice menor que 20 nm (usando un ataque en un equipo DRIE seguido por unas oxidaciones para afilar). Además, se realizó un estudio de los esfuerzos internos para intentar obtener vigas lo más planas posible. En la última parte del trabajo, se llevó a cabo la fabricación de sondas para AFM (vigas con una punta afilada en su extremo libre). Estos dispositivos son ampliamente usados en la actualidad para caracterizar muestras y para realizar experimentos en los que se requiere una alta precisión y/o resolución. El objetivo fundamental de este trabajo era el posibilitar la fabricación de sondas para AFM en nuestro centro de manera que los diseños pudieran ser elegidos a voluntad y acordes con las necesidades de cada investigador. Para ello se consideraron diferentes materiales y procesos de fabricación de puntas. La mejor opción fue la definición por medio de un equipo DRIE de puntas "tipo cohete" con una parte superior afilada, situada sobre una columna cilíndrica. Los procesos de grabado se optimizaron para así obtener una alta uniformidad a lo largo y ancho de la oblea así como unos perfiles de puntas apropiados para poder ser usadas después en un AFM. A continuación, se fabricaron sondas completas. Para comprobar cómo de buena era la tecnología de fabricación que habíamos diseñado, se fabricaron puntas de dos tipos diferentes: para ser usadas en modo contacto (constante elástica baja) y para ser usadas en modo dinámico (constante elástica alta). Dichos dispositivos se usaron para escanear algunas muestras y se compararon con algunos disponibles comercialmente, obteniendo resultados similares tanto para modo contacto como para dinámico. Finalmente, se fabricaron sondas para aplicaciones específicas: sondas con puntas con la parte superior plana para el estudio de la elasticidad de polímeros y materiales biológicos (con bajo módulo de Young) y sondas con vigas de una geometría especial para que las frecuencias de resonancia del modo fundamental y del primer harmónico transversal estuvieran más juntas, para así mejorar la detección del potencial de superficie en la técnica KPFM. Con la fabricación de estas puntas, se demostró que el disponer de una tecnología que permita la consecución de puntas puede ser muy útil para el desarrollo de nuevas aplicaciones del AFM. / The main objective of this thesis has been the research in the design and fabrication of micro-cantilevers that are one of the most used mechanical transducers because of their versatility. The use of polysilicon piezoresistive cantilevers has been explored in order to detect binding forces between biomolecules. Force resolution under 100 pN was required. A detailed analytical study has been performed in order to calculate sensitivity and resolution when applying a force at their free end. The results obtained with this analysis have been confirmed by the use of FEM simulations and hence used to determine the optimum design of the piezoresistive sensor. U-shaped polysilicon cantilevers have been fabricated at CNM clean room facilities using a novel and dedicated technology. Designs were made following the criteria imposed by the previously obtained analytical results. The high force resolution required implied the fabrication of some cantilevers among the softest piezoresistive cantilevers reported up to date (elastic constants down to 0.5 mN/m). With the final optimized fabrication process, a yield of 95% has been achieved. Using a commercial CMOS technology (0.8 m from AustriaMicroSystems), polysilicon piezoresistive cantilevers have been designed and fabricated following again the criteria imposed by the theoretical analysis and, in this case, also design rules from the CMOS technology. Cantilevers were integrated with a filtering and amplifying circuitry to reduce noise. The softest piezoresistive CMOS integrated cantilevers have been obtained with a high yield and with an undamaged circuitry. In order to determine the actual sensitivity of such soft sensors and their gauge factor, a characterization method (consisting in AFM actuation) has been developed. Gauge factor for polysilicon deposited at CNM and at AustriaMicroSystems was -12 and -9 respectively. The maximum force sensitivity and force resolution obtained for CNM fabricated sensors have been 11 V/nN and 28 nN respectively. The maximum force sensitivity and force resolution obtained for CMOS fabricated sensors have been 11 V/pN and 27 pN respectively. In both cases, resolution is limited by the noise in the circuit, whose main contributions are Hooge noise (or 1/f) and Johnson noise (or thermoelectric). Conductive, but isolated, nitride cantilevers (with a wrapped gold layer) with a sharp tip (that has an opened contact) have been designed and fabricated to be used in conductive measurements in liquid environments. Polysilicon tips definition has been optimized to improve the whole probes fabrication process, achieving apex radii smaller than 20 nm using a dry etching by means of a DRIE equipment followed by sharpening oxidation. A complete and novel technological process has been developed for the fabrication of AFM cantilevers. Different tip materials and machining processes have been analyzed, obtaining the best results for crystalline silicon tips defined using a DRIE equipment to machine rocket tips. Isotropic processes with low cross-wafer dispersion and anisotropic processes with low cross-wafer dispersion and low scalloping have been achieved. After a sharpening oxidation, apex radii smaller than 5 nm have been achieved. Complete AFM probes have been fabricated. In order to test the developed technology, probes with similar characteristics to commercial ones were fabricated and used to raster scan some samples (in contact and non-contact mode) yielding results similar to those obtained with commercial probes. In addition, some special probes have been fabricated for nanoindentation over polymers and also to improve Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) performance. Thus, the availability of a technology that allows the fabrication of customized cantilevers is very useful for the development of new SPM applications.

Aquesta tesi doctoral tracta sobre Enginyeria Kansei (EK), una tècnica per traslladar emocions transmeses per productes en paràmetres tècnics, i sobre mètodes estadístics que poden beneficiar la disciplina. El propòsit bàsic de l'EK és descobrir de quina manera algunes propietats d'un producte transmeten certes emocions als seus usuaris. És un mètode quantitatiu, i les dades es recullen típicament fent servir qüestionaris. S'extreuen conclusions en analitzar les dades recollides, normalment usant algun tipus d'anàlisi de regressió. L'EK es pot situar en l'àrea de recerca del disseny emocional. La tesi comença justificant la importància del disseny emocional. Com que el rang de tècniques usades sota el nom d'EK és extens i no massa clar, la tesi proposa una definició d'EK que serveix per delimitar el seu abast. A continuació, es suggereix un model per desenvolupar estudis d'EK. El model inclou el desenvolupament de l'espai semàntic – el rang d'emocions que el producte pot transmetre – i l'espai de propietats – les variables tècniques que es poden modificar en la fase de disseny. Després de la recollida de dades, l'etapa de síntesi enllaça ambdós espais (descobreix com diferents propietats del producte transmeten certes emocions). Cada pas del model s'explica detalladament usant un estudi d'EK realitzat per aquesta tesi: l'experiment dels sucs de fruites. El model inicial es va millorant progressivament durant la tesi i les dades de l'experiment es van reanalitzant usant noves propostes.Moltes inquietuds pràctiques apareixen quan s'estudia el model per a estudis d'EK esmentat anteriorment (entre d'altres, quants participants són necessaris i com es desenvolupa la sessió de recollida de dades). S'ha realitzat una extensa revisió bibliogràfica amb l'objectiu de respondre aquestes i altres preguntes. Es descriuen també les aplicacions d'EK més habituals, juntament amb comentaris sobre idees particularment interessants de diferents articles. La revisió bibliogràfica serveix també per llistar quines són les eines més comunament utilitzades en la fase de síntesi.La part central de la tesi se centra precisament en les eines per a la fase de síntesi. Eines estadístiques com la teoria de quantificació tipus I o la regressió logística ordinal s'estudien amb detall, i es proposen diverses millores. En particular, es proposa una nova forma gràfica de representar els resultats d'una regressió logística ordinal. S'introdueix una tècnica d'aprenentatge automàtic, els conjunts difusos (rough sets), i s'inclou una discussió sobre la seva idoneïtat per a estudis d'EK. S'usen conjunts de dades simulades per avaluar el comportament de les eines estadístiques suggerides, la qual cosa dóna peu a proposar algunes recomanacions.Independentment de les eines d'anàlisi utilitzades en la fase de síntesi, les conclusions seran probablement errònies quan la matriu del disseny no és adequada. Es proposa un mètode per avaluar la idoneïtat de matrius de disseny basat en l'ús de dos nous indicadors: un índex d'ortogonalitat i un índex de confusió. S'estudia l'habitualment oblidat rol de les interaccions en els estudis d'EK i es proposa un mètode per incloure una interacció, juntament amb una forma gràfica de representar-la. Finalment, l'última part de la tesi es dedica a l'escassament tractat tema de la variabilitat en els estudis d'EK. Es proposen un mètode (basat en l'anàlisi clúster) per segmentar els participants segons les seves respostes emocionals i una forma d'ordenar els participants segons la seva coherència en valorar els productes (usant un coeficient de correlació intraclasse). Com que molts usuaris d'EK no són especialistes en la interpretació de sortides numèriques, s'inclouen representacions visuals per a aquests dos nous mètodes que faciliten el processament de les conclusions. / Esta tesis doctoral trata sobre Ingeniería Kansei (IK), una técnica para trasladar emociones transmitidas por productos en parámetros técnicos, y sobre métodos estadísticos que pueden beneficiar la disciplina. El propósito básico de la IK es descubrir de qué manera algunas propiedades de un producto transmiten ciertas emociones a sus usuarios. Es un método cuantitativo, y los datos se recogen típicamente usando cuestionarios. Se extraen conclusiones al analizar los datos recogidos, normalmente usando algún tipo de análisis de regresión.La IK se puede situar en el área de investigación del diseño emocional. La tesis empieza justificando la importancia del diseño emocional. Como que el rango de técnicas usadas bajo el nombre de IK es extenso y no demasiado claro, la tesis propone una definición de IK que sirve para delimitar su alcance. A continuación, se sugiere un modelo para desarrollar estudios de IK. El modelo incluye el desarrollo del espacio semántico – el rango de emociones que el producto puede transmitir – y el espacio de propiedades – las variables técnicas que se pueden modificar en la fase de diseño. Después de la recogida de datos, la etapa de síntesis enlaza ambos espacios (descubre cómo distintas propiedades del producto transmiten ciertas emociones). Cada paso del modelo se explica detalladamente usando un estudio de IK realizado para esta tesis: el experimento de los zumos de frutas. El modelo inicial se va mejorando progresivamente durante la tesis y los datos del experimento se reanalizan usando nuevas propuestas. Muchas inquietudes prácticas aparecen cuando se estudia el modelo para estudios de IK mencionado anteriormente (entre otras, cuántos participantes son necesarios y cómo se desarrolla la sesión de recogida de datos). Se ha realizado una extensa revisión bibliográfica con el objetivo de responder éstas y otras preguntas. Se describen también las aplicaciones de IK más habituales, junto con comentarios sobre ideas particularmente interesantes de distintos artículos. La revisión bibliográfica sirve también para listar cuáles son las herramientas más comúnmente utilizadas en la fase de síntesis. La parte central de la tesis se centra precisamente en las herramientas para la fase de síntesis. Herramientas estadísticas como la teoría de cuantificación tipo I o la regresión logística ordinal se estudian con detalle, y se proponen varias mejoras. En particular, se propone una nueva forma gráfica de representar los resultados de una regresión logística ordinal. Se introduce una técnica de aprendizaje automático, los conjuntos difusos (rough sets), y se incluye una discusión sobre su idoneidad para estudios de IK. Se usan conjuntos de datos simulados para evaluar el comportamiento de las herramientas estadísticas sugeridas, lo que da pie a proponer algunas recomendaciones. Independientemente de las herramientas de análisis utilizadas en la fase de síntesis, las conclusiones serán probablemente erróneas cuando la matriz del diseño no es adecuada. Se propone un método para evaluar la idoneidad de matrices de diseño basado en el uso de dos nuevos indicadores: un índice de ortogonalidad y un índice de confusión. Se estudia el habitualmente olvidado rol de las interacciones en los estudios de IK y se propone un método para incluir una interacción, juntamente con una forma gráfica de representarla. Finalmente, la última parte de la tesis se dedica al escasamente tratado tema de la variabilidad en los estudios de IK. Se proponen un método (basado en el análisis clúster) para segmentar los participantes según sus respuestas emocionales y una forma de ordenar los participantes según su coherencia al valorar los productos (usando un coeficiente de correlación intraclase). Puesto que muchos usuarios de IK no son especialistas en la interpretación de salidas numéricas, se incluyen representaciones visuales para estos dos nuevos métodos que facilitan el procesamiento de las conclusiones. / This PhD thesis deals with Kansei Engineering (KE), a technique for translating emotions elicited by products into technical parameters, and statistical methods that can benefit the discipline. The basic purpose of KE is discovering in which way some properties of a product convey certain emotions in its users. It is a quantitative method, and data are typically collected using questionnaires. Conclusions are reached when analyzing the collected data, normally using some kind of regression analysis. Kansei Engineering can be placed under the more general area of research of emotional design. The thesis starts justifying the importance of emotional design. As the range of techniques used under the name of Kansei Engineering is rather vast and not very clear, the thesis develops a detailed definition of KE that serves the purpose of delimiting its scope. A model for conducting KE studies is then suggested. The model includes spanning the semantic space – the whole range of emotions the product can elicit – and the space of properties – the technical variables that can be modified in the design phase. After the data collection, the synthesis phase links both spaces; that is, discovers how several properties of the product elicit certain emotions. Each step of the model is explained in detail using a KE study specially performed for this thesis: the fruit juice experiment. The initial model is progressively improved during the thesis and data from the experiment are reanalyzed using the new proposals. Many practical concerns arise when looking at the above mentioned model for KE studies (among many others, how many participants are used and how the data collection session is conducted). An extensive literature review is done with the aim of answering these and other questions. The most common applications of KE are also depicted, together with comments on particular interesting ideas from several papers. The literature review also serves to list which are the most common tools used in the synthesis phase. The central part of the thesis focuses precisely in tools for the synthesis phase. Statistical tools such as quantification theory type I and ordinal logistic regression are studied in detail, and several improvements are suggested. In particular, a new graphical way to represent results from an ordinal logistic regression is proposed. An automatic learning technique, rough sets, is introduced and a discussion is included on its adequacy for KE studies. Several sets of simulated data are used to assess the behavior of the suggested statistical techniques, leading to some useful recommendations. No matter the analysis tools used in the synthesis phase, conclusions are likely to be flawed when the design matrix is not appropriate. A method to evaluate the suitability of design matrices used in KE studies is proposed, based on the use of two new indicators: an orthogonality index and a confusion index. The commonly forgotten role of interactions in KE studies is studied and a method to include an interaction in KE studies is suggested, together with a way to represent it graphically. Finally, the untreated topic of variability in KE studies is tackled in the last part of the thesis. A method (based in cluster analysis) for finding segments among subjects according to their emotional responses and a way to rank subjects based on their coherence when rating products (using an intraclass correlation coefficient) are proposed. As many users of Kansei Engineering are not specialists in the interpretation of the numerical output from statistical techniques, visual representations for these two new proposals are included to aid understanding.

Els dispositius òptics biosensors basats en la detecció d’ona evanescent podrien superar les limitacions dels tests de diagnòstic actuals (que són lents i cars) degut a la possibilitat de realitzar les deteccions a temps reals i fent servir un esquema sense la necessitat de marcatges. Entre els diferents transductors òptics, els interferomètrics són els que posseeixen els millors límits de detecció (LOD) deguts a canvis en el índex de refracció de dissolucions (10-7-10-8 Unitats d’Índex de Refracció, RIU) així com per sensibilitat superficial (en el rang dels pg/ml) i un rang lineal més gran. No obstant, les configuracions interferomètriques (l’interferòmetre Mach-Zehnder o el Young) més usuals fan servir un divisor amb forma de Y, que és essencial per dividir o recombinar la llum, lo qual, degut a les toleràncies de les actuals tècniques de fabricació es una gran desavantatge per la reproduibilitat d’aquests dispositius. Per evitar aquests problemes, hem desenvolupat una configuració interferomètrica més simple basada en un guia de ones recte on dos modes de llum de la mateixa polarització interfereixen entre si. Aquesta configuració elimina la complexitat dels interferòmetres més utilitzats i conseqüentment, el biosensors que s’obtenen són més fiables i reproduïbles. Aquesta tesis esta dirigida al desenvolupament i la caracterització d’un nou transductor fotònic per biosensat d’alta sensibilitat i sense marcatges, el dispositiu de guia d’ona bimodal (BiMW). Amb aquest propòsit, els següents punts han estat plantejats: 1. Disseny, fabricació i caracterització òptica del transductor que opera segons el principi de la interferència de dos modes de llum. 2. Desenvolupament i optimització de les estratègies de funcionalització de la superfície transductora fent servir processos de silanització. 3. Estudi de l’aplicabilitat del biosensor amb la demostració del diagnosis analític de problemes clínics rellevants. El transductor es fabrica a nivell d’oblea a la Sala Blanca, lo qual garanteix la producció en massa del dispositiu així com un preu baix del mateix. El dispositiu és molt sensible a variacions en l’índex de refracció de dissolucions, obtenint un límit de detecció de 2×10-7 RIU. La biofuncionalització de l’àrea sensora es un dels aspectes més importants d’aquest treball. Diferents protocols per immobilitzar els diferents bioreceptor en la superfície del dispositiu (cadenes d’ADN, proteïnes i anticossos) han estat desenvolupats. Aquests protocols s’han fet servir per la demostració de diferents bioaplicacions; la detecció d’hormones, bactèries o seqüències d´ADN complementàries. Els resultats presentats en aquesta tesis han destacat pel superior funcionament d’aquest dispositiu en comparació amb els tests de diagnosis convencionals degut a: i) la possibilitat de monitoritzar les interaccions biomoleculars en temps real i fent servir un esquema sense marcadors reduint el temps i el cost de l’assaig, ii) la fabricació del dispositiu fent servir microtecnologia de silici, possibilitant la producció en massa, iii) l’alta sensibilitat (pg/ml, femtomolar) demostrada per les diferents bioaplicacions avaluades i iv) el dispositiu reuneix els requeriments específics per ser miniaturitzat e integrat en una plataforma de sensat multiplexada. Aquest treball obre la porta a la integració d’aquest transductor en un dispositiu lab-on-a -chip, una feina que inclou l’acoblament/detecció de la llum, un sistema capaç de modular la senyal interferomètrica i la incorporació de canals microfluídics per anàlisis multiplexats. Cadascun d’aquests temes afegeix molta complexitat al dispositiu final, han de ser individualment desenvolupades i optimitzades per ser integrades en un biosensor lab-on-a-chip. Finalment, la possibilitat de detectar simultàniament múltiples analits involucra el desenvolupament de noves tècniques per recollir les múltiples senyals així com desenvolupar noves estratègies de biofuncionalització. / Optical biosensor devices based on evanescent wave detection could overcome the limitations of conventional diagnostic tests (expensive and time-consuming) due to the possibility of carrying out the detection in real-time and using a label-free scheme. Among the different optical transducers, interferometric devices have evidenced the best limit of detection (LOD) for refractive index changes of bulk solutions (10-7-10-8 Refractive Index Units, RIU) and for surface sensing (in the pg/ml range) and a wider linear range. However, usual interferometric transducers (Mach-Zehnder or Young interferometers) employ the Y-junction to split or recombine light, a drawback for the coherence and performance of the device due to standard tolerances of microfabrication techniques. To overcome these problems, we have developed a simple configuration based on a single straight waveguide where two modes of the light of the same polarization are interfering between them. This simple approach avoids the complexity of the usual interferometric transducers and as a consequence, more reliable and reproducible biosensors can be obtained. This thesis is focused on the development and characterization of a new photonic transducer, the Bimodal Waveguide device (BiMW), for label- free and high sensitive biosensing. To achieve this, the following steps have been pursued: 1. Design, fabrication, and optical characterization of an optical transducer operating by two-mode interference principle. 2. Development and optimization of biofunctionalization strategies on the transducer surface using silanization techniques. 3. Study of the applicability of the biosensor with the demonstration of bioanalytical diagnosis of relevant problems. The transducers are fabricated at wafer level in Clean Room facilities, which warrants a cost-effective and mass-production of the sensor chips. The device is highly sensitive to small changes in the refractive index occurring on the sensor area, leading to a detection limit of 2.5×10-7 RIU for bulk changes in refractive index solutions. The biofunctionalization of the sensor area is one of the most crucial aspects of this work. Optimized functionalization procedures have been achieved, which has been employed to immobilize different types of bioreceptors (DNA strands, proteins, and antibodies) on the surface. The optimized protocols have been used for the demonstration of different bioapplications such as the detection of hormones, bacteria, or complementary DNA sequences. The results presented in this work have highlighted the superior performance of this device in comparison with conventional diagnostics tests due to: i) the possibility of monitoring biomolecular interactions in real-time and by using a label-free scheme which reduce the time and cost of the assay , ii) the fabrication of the device using standard silicon microelectronics technology opening the possibility for mass-production, iii) the high sensitivity demonstrated for the different bioapplications assessed achieving detection limits in the pg/ml range (femtomolar), and iv) the device meets the specific requirements to be miniaturized and integrated in a multiplexed platform. This work opens the door for the integration of this transducer in a lab-on-a-chip device, including the in-coupling/out-coupling of light, a system able to modulate the interferometric signal, and the incorporation of microfluidics channels for multiplexing. Each of these subjects adds a great complexity to the final device, and must be independently developed and optimized in order to be successfully integrated at the final lab-on-a-chip biosensor. Finally, the possibility to detect simultaneously multiple analytes will involve further efforts in developing new optical in and outcoupling as well as new biofunctionalization strategies.

Las últimas décadas han puesto de manifiesto la imposibilidad de trasladar la intensidad del consumo energético del mundo desarrollado a la totalidad del planeta y en consecuencia, la necesidad de un cambio global hacia una economía baja en carbono y por tanto a un modelo energético más eficiente y sostenible. Se requiere de un esfuerzo tecnológico dirigido a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que implica el desarrollo de tecnologías para capturar y almacenar o valorizar dióxido de carbono (CO₂). La presente Tesis Doctoral estudia el desarrollo de nuevas membranas soportadas con líquidos iónicos para separación de CO₂ a través de un doble enfoque: desarrollo de membranas estímulo-respuesta basadas en líquidos iónicos magnéticos que presentan respuesta ante la aplicación de un campo magnético externo y membranas soportadas con líquidos iónicos basados en el anión acetato con una elevada solubilidad de CO₂, que pueden alcanzar mejores prestaciones en la separación/concentración. / The last decades have shown the impossibility of transferring the energy intensity of the developed world to the entire planet and thus, the need for a global shift towards a low carbon economy and therefore, to a more efficient and sustainable energy model. A technological effort is required aimed at reducing greenhouse gas emissions, which necessarily involves the development of carbon dioxide (CO₂) capture and storage or valorization technologies. In this context, this Thesis studies the development of new supported ionic liquid membranes for CO₂ separation aiming for a dual approach: development of novel stimuli-responsive magnetic ionic liquids based membranes showing a response to the application of an external magnetic field and acetate based supported ionic liquid membranes with a high CO₂ solubility, which can achieve a better performance in its separation/concentration

Models computacionals basats en xarxes a gran escala d'inspiració neurobiològica permeten descriure els correlats neurals de la decisió observats en certes àrees corticals com una transició entre atractors de la xarxa cortical. L'estimulació provoca un canvi en el paisatge d'atractors que afavoreix la transició entre l'atractor neutre inicial a un dels atractors associats a les eleccions categòriques. El soroll present en el sistema introdueix indeterminació en les transicions. En aquest treball mostrem l'existència de dos mecanismes de decisió qualitativament diferents, cadascun amb signatures psicofísiques diferenciades. El mecanisme que apareix a baixes intensitats, induït exclusivament pel soroll, dóna lloc a temps de decisió distribuïts asimètricament, amb una mitjana dictada per l'amplitud del soroll.A més, tant els temps de decisió com el rendiment psicofísic són funcions decreixents de l'estimulació externa. També proposem dos mètodes, un basat en l'aproximació macroscòpica i un altre en la teoria de la varietat central, que simplifiquen la descripció de sistemes estocàstics multistables. / Computational models based on large-scale, neurobiologically-inspired networks describe the decision-related activity observed in some cortical areas as a transition between attractors of the cortical network. Stimulation induces a change in the attractor configuration and drives the system out from its initial resting attractor to one of the existing attractors associated with the categorical choices. The noise present in the system renders transitions random. We show that there exist two qualitatively different mechanisms for decision, each with distinctive psychophysical signatures. The decision mechanism arising at low inputs, entirely driven by noise, leads to skewed distributions of decision times, with a mean governed by the amplitude of the noise. Moreover, both decision times and performances are monotonically decreasing functions of the overall external stimulation. We also propose two methods, one based on the macroscopic approximation and one based on center manifold theory, to simplify the description of multistable stochastic neural systems.

En aquest treball es van fabricar cel · les solars orgàniques d'heterounió de volum, el qual van ser utilitzats diferents materials donadors i acceptors, com ara P3HT, PTB1 i PC70BM, PCBM, respectivament. L'anàlisi de procés de degradació va ser portat a terme en dispositius fotovoltaics on van ser presos aspecte com ara la preparacions de la barreja, control de morfologies en les capes actives, procés de tractament tèrmic i condicions d'entorn al qual van ser exposades les cel solars. En cada cas va ser usat la característica de corrent-voltatge per supervisar els paràmetres de rendiment del dispositiu fotovoltaic durant la seva operació en condicions de llum i baix foscor. Un model elèctric es va utilitzar per correlacionar els mecanismes físics amb els paràmetres de rendiment de la cel solar. A més, el protocol ISOS-D1 es va aplicar a les cel · les solars orgàniques sota diferents entorns per quantificar el temps de vida, estabilitat i identificar els mecanismes de degradació predominants en el mateix. Com a segona part d'aquesta tesi, les cèl · lules solars orgàniques interdigitadas d'heterounió van ser dissenyats, fabricats i caracteritzats elèctricament i òpticament. Les cel · les solars interdigitadas van ser comparades respecte les de bicapa i les de heterounió de volum. Tècniques d'extracció de càrrega i transitoris de fotovoltaje van ser aplicats per primera vegada sobre aquest tipus de cel solars. Els resultats van revelar que ambdues tècniques són adequades per a la caracterització de la variació de la densitat de càrrega sobre la polarització aplicada en aquest tipus de cel · les fotovoltaiques. / En este trabajo se fabricaron celdas solares orgánicas de heterounión de volumen, el cual fueron utilizados diferentes materiales donadores y aceptores, tales como P3HT, PTB1 y PC70BM, PCBM, respectivamente. El análisis de proceso de degradación fue llevado a cabo en dispositivos fotovoltaicos donde fueron tomados aspecto tales como la preparaciones de la mezcla, control de morfologías en las capas activas, proceso de tratamiento térmico y condiciones de entorno al cual fueron expuestas las celdas solares. En cada caso fue usado la característica de corriente-voltaje para monitorear los parámetros de rendimiento del dispositivo fotovoltaico durante su operación en condiciones de iluminación y bajo oscuridad. Un modelo eléctrico se utilizó para correlacionar los mecanismos físicos con los parámetros de rendimiento de la celda solar. Además, el protocolo ISOS-D1 se aplicó a las celdas solares orgánicas bajo diferentes entornos para cuantificar el tiempo de vida, estabilidad e identificar los mecanismos de degradación predominantes en el mismo. Como segunda parte de esta tesis, las células solares orgánicas interdigitadas de heterounión fueron diseñados, fabricados y caracterizados eléctricamente y ópticamente. Las celdas solares interdigitadas fueron comparadas con respecto las de bicapa y las de heterounión de volumen. Técnicas de extracción de carga y transitorios de fotovoltaje fueron aplicados por primera vez sobre este tipo de celdas solares. Los resultados revelaron que ambas técnicas son adecuadas para la caracterización de la variación de la densidad de carga sobre la polarización aplicada en este tipo de celdas fotovoltaicas. / In this work were fabricated organic solar cells of bulk heterojunction, which were used different donor and acceptor materials such as P3HT, PTB1 and PC70BM, PCBM, respectively. The analysis of degradation process was carried out on the photovoltaic devices where it were taken aspect as the blend preparations, control of morphologies on the active layers, annealing process and environment conditions that were exposed the solar cells. In each case was used current-voltage characteristic to monitor the performance parameters of the photovoltaic device during its operation in dark and under illumination conditions. An electrical model was used to correlate the physical mechanisms with the performance parameters of the solar cell. Additionally, ISOS-D1 protocol was applied to organic solar cells under different environments to quantify the lifetime, stability and identify the degradation mechanisms predominant in it. As second part of this thesis, interdigitated heterojunction organic solar cells were designed, manufactured and electrically and optically characterized. The interdigitated solar cells were compared regarding bilayer and bulk heterojunction solar cells. Charge extraction and transient photovoltage techniques were applied for the first time in this kind of solar cells. The results revealed that both techniques are suitable for the characterization of the charge density variation over the applied bias on this kind of devices.

Membrane bioreactors (MBR) are a combination of common bioreactors and membrane filtration units for biomass retention, presenting unique advantages like high effluent quality and a smaller footprint than the one by conventional wastewater treatment plants. However, fouling and its associated costs are the main drawbacks related to this technology. This thesis presents a step towards the integrated operation of MBRs through experimental and model-based studies. Interactions between the biological (nutrient removal and sludge characteristics) and physical (hydrodynamics and filtration) processes in MBRs were studied, with the final aim being to improve their integrated operation and control. Moreover, the reduced energy costs and the better understanding of MBR operation may contribute to making MBR systems a more competitive technology to deal with water scarcity problems / Els bioreactors de membranes (BRM) són una combinació dels reactors convencionals i una unitat de filtració que reté la biomassa, de manera que presenten com a gran avantatge una qualitat de sortida amb estàndards de reutilizació, i molt poca necessitat d’espai. Tanmateix, l'embrutiment i els seus costs associats són els principals inconvenients d'aquesta tecnologia. Aquesta tesi presenta un pas endavant cap a l’operació integrada dels BRM mitjançant estudis experimentals i de modelització. Les interaccions entre els processos biològics (eliminació de nutrients i característiques de la biomassa) i físics (hidrodinàmica i filtració) que tenen lloc als BRM s’han estudiat amb l’objectiu final de millorar-ne la seva operació i el control integrat. A més, s'han reduit els costos energètics, els quals contribueixen a la millora de la competitvitat de la tecnologia BRM com a solució potencial per a problemes d’escassetat d’aigua

Esta tesis trata sobre algunos avances en técnicas para el análisis, la medición experimental y la simulación numérica de flujos confinados en geometrías complejas. Se han desarrollado e implementado algoritmos de interrogación para PIV de alta velocidad. Especial atención se ha puesto en el tratamiento de la interrogación cerca de las fronteras de la imagen. Para realizar las simulaciones numéricas se ha desarrollado un modelo para flujos 3D que trabaja con mallas curvilíneas estructuradas por bloques. Este modelo ha sido paralelizado utilizando OpenMP. La trilogía de técnicas se ha completado desarrollando una novedosa técnica de premediación condicional basada en fuzzy clustering. Esta técnica permite generar un conjunto de medias condicionadas y analizar a partir de ellas la evolución temporal del flujo. Las tres técnicas se han aplicado en forma integrada al estudio de un caso seleccionado, correspondiente al flujo dentro de un alojamiento de componentes electrónicos.Palabras clave: PIV, Volúmenes Finitos, Fuzzy Clustering, flujos confinados. / This thesis deals with the improvement of techniques for the detailed analysis, experimental measurement and numerical simulation of flows confined within complex geometry. Interrogation algorithms for time resolved PIV were designed and implemented. Special attention was given to the treatment of the near wall portions of the images to ensure appropriate resolution of the boundary layer by proper placement of the displacement vector when the interrogation area overlaps the image boundary. A 3D finite volume solver for the Navier Stokes equations was created. This numerical model works with block structured grids and sliding interfaces, allowing the treatment of rather complex geometries. This solver has been fully parallelised using OpenMP. The set of techniques was completed devising a novel conditional sampling method based on fuzzy clustering for the analysis of large scale dynamics in turbulent flows. A set of ensemble averages is produced and the time evolution of the flow can be analysed through the most probable sequence in time of the conditionally sampled averages. A case study was selected to drive the evolution of these techniques, concerning the flow inside a printed circuit board (PCB) enclosure. Keywords: PIV, Finite Volume, Fuzzy Clustering, confined flows

La Paràlisi Cerebral és la discapacitat motora més comuna durant la infància i consisteix en una alteració de la mobilitat deguda a una lesió en el sistema nerviós central produïda durant l'etapa prenatal, perinatal o infantil. Aquestes lesions, que no són una malaltia, no evolucionen, però les seves conseqüències sí que interfereixen en el desenvolupament de la persona. Les dificultats motores, que solen anar acompanyades en moltes ocasions per problemes sensorials, alteracions en l'atenció, cognició i altres, suposen un handicap per a l'exploració de l'entorn, la participació en les activitats quotidianes i les relacions amb els iguals, que són la base de l'aprenentatge i el desenvolupament. Aquesta tesi, que s'enquadra dins de la disciplina de la Interacció Persona-Ordinador (IPO), se centra en la concepció, aplicació i avaluació de sistemes interactius per a persones amb paràlisi cerebral. En primer lloc fem una revisió de l' estat de l'art en sistemes interactius audiovisuals per a persones amb paràlisi cerebral. A continuació realitzem una proposta de diferents mètodes per a l'anàlisi de la qualitat de la interacció. Després abordem diverses propostes de sistemes interactius basats en visió artificial dissenyats per a persones amb paràlisi cerebral. D'entre aquestes, fem especial èmfasi en una proposta de sistema interactiu audiovisual orientat a persones amb trastorns físics, cognitius i sensorials en graus moderat i sever que ha demostrat ser assequible per a moltes d'aquestes persones i els proporciona una experiència lúdica motivadora, que facilita el treball de certes competències per part dels professionals. / La Parálisis Cerebral es la discapacidad motora más común durante la infancia y consiste en una alteración de la movilidad debida a una lesión en el sistema nervioso central producida durante la etapa prenatal, perinatal o infantil. Estas lesiones, que no son una enfermedad, no evolucionan, pero sus consecuencias sí que interfieren en el desarrollo de la persona. Las dificultades motoras, que suelen ir acompañadas en muchas ocasiones por problemas sensoriales, alteraciones en la atención, cognición y otros, suponen un hándicap para la exploración del entorno, la participación en las actividades cotidianas y las relaciones con los iguales, que son la base del aprendizaje y el desarrollo. Esta tesis, que se encuadra dentro de la disciplina de la Interacción Persona-Ordenador (IPO), se centra en la concepción, aplicación y evaluación de sistemas interactivos para personas con parálisis cerebral. En primer lugar hacemos una revisión del estado del arte en sistemas interactivos audiovisuales para personas con parálisis cerebral. A continuación realizamos una propuesta de distintos métodos para el análisis de la calidad de la interacción. Después abordamos varias propuestas de sistemas interactivos basados en visión artificial diseñados para personas con parálisis cerebral. De entre éstas, hacemos especial énfasis en una propuesta de sistema interactivo audiovisual orientado a personas con trastornos físicos, cognitivos y sensoriales en grados moderado y severo que ha demostrado ser asequible para muchas de estas personas y les proporciona una experiencia lúdica motivadora, que facilita el trabajo de ciertas competencias por parte de los profesionales. / Cerebral Palsy is the most common motor disability in childhood and entails impaired mobility due to damage to the central nervous system just before or during the birth, or during the early childhood. These lesions, which are not a disease, are not progressive, but its consequences interfere with the development of the child. Motor impairments often come with other difficulties such as alterations in attention, cognition, and others. Such deficiencies are a handicap for the exploration of the environment, for the participation in daily activities and for the relationship with peers which are the basis for learning and development. This thesis, which falls within the Human-Computer Interaction (HCI) scope, focuses on the design, implementation and evaluation of interactive systems for people with cerebral palsy. Firstly, we review the state of the art in audio-visual interactive systems for people with cerebral palsy. Secondly, we propose different methods for analysing the quality of the interaction. Finally, we propose several interactive systems for people with cerebral palsy based on computer vision, among which we put special emphasis on an interactive audio-visual proposal aimed at people with physical, cognitive and sensory impairments in moderate and severe degrees. This system proved to be attainable for many of these people and to provide a motivating playing experience that allows professionals to develop some skills on the users.