Um sensor ou biossensor é um dispositivo analítico que tem por objetivo principal a identificação de substâncias e suas concentrações. O emprego efetivo dos sensores permite resolver diversos problemas em várias áreas como química, biologia, medicina, farmacologia, ciências ambientais, entre outras. Dentre desses problemas podemos ressaltar dois: o diagnóstico de doenças e a substituição de seres humanos por línguas eletrônicas para evitar as análises subjetivas. O primeiro problema é resolvido pela identificação de molécula única mas apresenta problemas relacionados a grande quantidade de dados gerados pelos sensores Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Já o segundo problema envolve a recalibração de sensores de espectroscopia de impedância para que possam ser substituídos em línguas eletrônicas quando apresentem deficiências. Em ambos casos foram desenvolvidas abordagens que empregaram técnicas de visualização de informação e permitem uma exploração eficiente da grande quantidade de dados produzidos. A primeira abordagem conseguiu melhorar o tempo de execução do processo de detecção de molécula única em contrapartida a análise manual atualmente empregada além de reduzir o número de falsos positivos. A segunda abordagem, a troca de sensores em línguas eletrônicas, mostrou resultados satisfatórios. O uso da definição do circuito eletrônico equivalente de Taylor em combinação com Generalized Procrustes Analysis (GPA) permitiu de forma adequada a troca de sensores por conseguir transformar a resposta de um sensor na resposta do outro, característica que no futuro poderá ser usada para conseguir produzir sistemas mais reprodutíveis e confiáveis / A sensor or biosensor is an analytical device that aims to identify substances and their concentrations. The efficient employment of sensors allows the solution of many problems in several fields such as chemistry, biology, medicine, pharmacology, environmental sciences, among others. Two problems were the main focus of this master\'s thesis: the diagnosis of diseases and the replacement of human beings by electronic tongues to avoid subjective analysis. The first problem is solved using single molecule detection but presents problems related to the large amount of data generated by sensors Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). The second one involves the recalibration of impedance spectroscopy sensors in electronic tongues for them to be replaced when one of them presents defficiencies. We have developed two different approaches to handle these problems, both of them involve information visualization methods making the exploration of large amounts of data more efficiently. The first approach improved the execution time of the single molecule detection process compared to the manual analysis. The number of spectra classified as false positives was also reduced. The second approach, which is a candidate solution to the replacement of sensors in an electronic tongue, employs the definition of the equivalent circuit of Taylor along with Generalized Procrustes Analysis (GPA) to achieve the desired goal. This leads to the recalibration of one sensor into the response of another one, presenting good results. In the future, this could be potentially used to produce more reliable and reproducible systems

Neste trabalho é proposto um dispositivo MEMS do tipo micro-transdutor acústico capacitivo, CMUT (sigla em inglês - Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer). Em vez de usar piezoeletricidade, o CMUT tem um array de capacitores, onde cada capacitor possui um eletrodo inferior fixo, uma cavidade e o eletrodo superior composto de uma placa flexível. Quando submetida a uma tensão CC adequada, a placa se deflete se aproximando do eletrodo inferior devido à força eletrostática. Assim a placa fica tensionada podendo vibrar quando excitada por uma tensão CA. Neste caso o CMUT opera como emissor de ondas acústicas. A placa também pode ser excitada por uma onda acústica agindo em sua superfície. Neste caso o dispositivo opera como sensor. Uma das contribuições desse trabalho é o processo de fabricação simplificado com o uso do fotorresiste SU-8 como parte da estrutura do dispositivo. Sua facilidade de processamento e suas propriedades físicas lhe conferem estabilidade e rigidez adequadas para tal fim. Foram realizadas modelagens e simulações analíticas e computacionais do comportamento da placa. Os resultados auxiliaram no melhor entendimento do comportamento do dispositivo sob tensão mecânica devido a uma carga ou uma tensão de polarização. Esses resultados também auxiliaram na definição de parâmetros iniciais do processo de fabricação. Durante o processo de fabricação, foram realizados diversos testes a fim de se encontrar o processo mais adequado à infraestrutura disponível. No processo escolhido, a base do dispositivo é fabricada num substrato de vidro com eletrodos inferiores de alumínio depositados por evaporação. Os pilares são fabricados em SU-8, depositado por spin coatting. A placa é colada posteriormente utilizando-se fotorresiste AZ. O AZ é depositado sobre um pedaço de folha de cobre ou alumínio. As duas partes são colocadas em contato e para promover a colagem é aplicada pressão durante a cura. As amostras foram caracterizadas eletricamente utilizando-se um medidor de impedância RCL. Foram levantadas curvas de impedância, capacitância e ângulo de fase em função da frequência (1 kHz a 1 MHz). Além do sinal CA utilizado pelo instrumento durante a medição foi aplicado um nível CC que variou conforme as dimensões dos protótipos. Também foram levantadas curvas de impedância, capacitância e angulo de fase em função de uma carga mecânica aplicada. Para valores de polarização mais elevados, foram montados circuitos específicos. Estes circuitos são capazes de polarizar o CMUT, aplicar um sinal CA para medição e proteger demais componentes e instrumentos dos aparatos de medição. O dispositivo respondeu bem a aplicação de carga mecânica, excitação por sinal CA e excitação com onda mecânica. Os resultados mostraram que o dispositivo apresenta bom potencial para ser aplicado na análise de fluidos. / This work presents a new process to fabricate an acoustic micro transducer to be used as a microsensor or a microactuator. The acoustic transducers are based on the electrostatic effect and consist on arrays of microfabricated capacitors. Such devices are commonly referred as CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer. The bottom electrode (evaporated aluminum) of each capacitor is fixed on the surface of glass substrate, while the top electrode is a thin plate structure of copper or aluminum suspended on a cavity surrounded by posts. Since the top electrode is flexible, it bends toward the bottom electrode when a DC bias is applied. In this way, the top electrode can be forced to vibrate using an AC signal to be used as an acoustic wave emitter. Conversely, an ultrasound receiver is achieved as the measured capacitance changes when the DC biased top electrode moves following an external acoustic wave pressure. An innovation of this work is the use of the photoresist SU-8 to fabricate the post structures surrounding the cavities of the capacitive micro transducers. Its relatively simple processing steps and adequate mechanical properties make the SU-8 a convenient choice as an inexpensive structural material. The bottom part of the device is prepared on a glass substrate using an aluminum layer evaporated and etched to form the bottom electrodes. Then, SU-8 is spin coated, baked and etched adequately to form the posts surrounding the cavities. The top part is prepared by simply spinning an AZ-type photoresist on aluminum or copper plate. Finally, both halves are bonded under pressure on a hot plate. Several modeling and simulation analyses were performed in order to estimate the working performance of the micro transducers. The results of simulations helped to define the initial parameters and materials for the fabrication process. Samples submitted to a DC bias were initially characterized using an RCL meter in order to infer impedance, capacitance and phase angle behavior as a function of frequency (from 1 kHz to 1 MHz). Protection circuits were used in order to test CMUTs with high DC bias. These circuits allow to apply high DC bias, and an AC signal while other measuring equipments are protected. The device responded to application of mechanical loading, excitation by an AC signal and excitation by mechanical wave as well. The results showed that the device has good potential to be applied to the analysis of fluids.

Tendo como vantagem a elevada resistência ao choque térmico da zircônia:magnésia e a alta condutividade iônica da zircônia:ítria, compósitos dessas cerâmicas foram preparados por meio da mistura, em diferentes concentrações, de eletrólitos sólidos de ZrO2: 8,6 mol% MgO e de ZrO2: 3 mol% Y2O3, compactação e sinterização. A caracterização microestrutural foi feita por meio de difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. A análise do comportamento térmico foi feita por dilatometria. As propriedades elétricas foram estudadas por meio de espectroscopia de impedância. Foi feita uma montagem experimental para monitorar a resposta elétrica gerada em função do teor de oxigênio a altas temperaturas. Os principais resultados mostram que os compósitos cerâmicos são parcialmente estabilizados nas fases monoclínica, cúbica e tetragonal, e apresentam comportamento térmico similar ao apresentado por eletrólitos sólidos de zircônia:magnésia de dispositivos sensores de oxigênio. Além disso, os resultados de análise de espectroscopia de impedância mostram que a adição da zircônia:ítria melhora o comportamento elétrico da zircônia:magnésia, e que resposta elétrica gerada é dependente do teor de oxigênio a 1000 °C, mostrando ser possível construir sensores de oxigênio utilizando compósitos cerâmicos. / Taking advantage of the high thermal shock resistance of zirconia-magnesia ceramics and the high oxide ion conductivity of zirconia-yttria ceramics, composites of these ceramics were prepared by mixing, pressing and sintering different relative concentrations of ZrO2: 8.6 mol% MgO and ZrO2: 3mol% Y2O3 solid electrolytes. Microstructural analysis of the composites was carried out by X-ray diffraction and scanning electron microscopy analyses. The thermal behavior was studied by dilatometric analysis. The electrical behavior was evaluated by the impedance spectroscopy technique. An experimental setup was designed for measurement the electrical signal generated as a function of the amount of oxygen at high temperatures. The main results show that these composites are partially stabilized (monoclinic, cubic and tetragonal) and the thermal behavior is similar to that of ZrO2: 8.6 mol% MgO materials used in disposable high temperature oxygen sensors. Moreover, the results of analysis of impedance spectroscopy show that the electrical conductivity of zirconia:magnesia is improved with zirconia-yttria addition and that the electrical signal depends on the amount of oxygen at 1000 °C, showing that the ceramic composites can be used in oxygen sensors.

As propriedades de superfícies de pós cerâmicos desempenham um papel importante na produção de dispositivos de alta qualidade, elevado desempenho e confiabilidade. Muitas dessas propriedades estão relacionadas a interações com o meio em que o material esta presente. Um exemplo, são materiais cerâmicos utilizados em sensores de gases. A perovisquita BaSnO3 (estanato de bário) é um de material cerâmico promissor a sensor de gás. Neste sentido, a proposta do presente trabalho consistiu em realizar a síntese do composto BaSnO3 por reação no estado sólido e preparar cerâmicas com o objetivo de estudar suas propriedades estruturais, microestruturais e seu comportamento elétrico em função da atmosfera. As amostras foram caracterizadas utilizando-se as técnicas de termogravimetria, calorimetria exploratória diferencial, difratometria de raios x, microscopia eletrônica de varredura, dilatometria e espectroscopia de impedância. Para a produção do BaSnO3 foram utilizadas duas metodologias de síntese. A primeira, chamada de rota 1, a preparação foi realizada a partir da mistura direta dos pós precursores, sem aquecimento prévio. A segunda metodologia, denominada rota 2, os pós precursores foram submetidos a um aquecimento separadamente antes da mistura e síntese. Os resultados obtidos utilizando a rota 1 mostraram a presença de fases secundárias (SnO2 e BaCO3) ao material pretendido, além da formação de fase líquida durante o processo de sinterização das cerâmicas. Contudo, os resultados obtidos com o procedimento adotado na rota 2 mostraram apenas a presença da fase desejada e ausência de fase líquida durante a sinterização. Com o objetivo de assegurar que a presença de fases secundárias na rota 1 e a fase líquida observadas nas microestruturas foram devido a presença de água adsorvida nos pós precursores, corpos cerâmicos `a verde produzidos pela rota 2 foram submetidos a imersão em água por aproximadamente 10 horas antes da sinterização. Este procedimento não resultou no aparecimento de fases secundárias, como era esperado, porém verificou-se a formação de fase líquida durante o processo de sinterização. As cerâmicas assim processadas apresentaram menor densidade relativa e maior tamanho médio de grão. Para a caracterização elétrica das cerâmicas foram utilizados as seguintes atmosferas: ar, em condição de pressão distinta, argônio contendo 5% de hidrogênio e argônio contendo 15% de hidrogênio. Os resultados mostraram que o estanato de bário apresenta significativa sensibilidade relativa da condutividade elétrica para as atmosferas estudadas a temperaturas acima de 100oC. / The surface properties of ceramic powders play an important role in the production of devices of high quality, high performance and reliability. Many of these properties are related to interactions with the environment. One example, ceramics are used in gas sensor devices. A ceramic material that has been reported as promising gas sensor is perovskite BaSnO3 (barium stannate). In this work we performed the synthesis of the BaSnO3 compound by solid state reaction to study its structural properties, microstructure and electrical behavior in function of atmosphere. The samples were characterized by thermogravimetry, differential scanning calorimetry, x-ray diffraction, scanning electron microscopy, dilatometry and impedance spectroscopy. For the production of BaSnO3 used two methods of synthesis. the first method, called route 1, the preparation was performed directly from the mixing of powder precursors. The second, named as route 2, the precursor powders were subjected to heating separately before mixing. The results obtained using the route 1 showed the presence of secondary phases (SnO2 and BaCO3) and the formation of liquid phase during sintering of the ceramics. The results obtained with the procedure adopted in the route 2 showed only the presence of the desired (BaSnO3) phase and no liquid phase during sintering. In order to investigate what the effects caused by the water adsorption by perovskite BaSnO3, the green-ceramic bodies produced by route 2 were submitted to immersion in water prior to sintering. This procedure did not result in the appearance of secondary phases, but was verified the presence of the liquid phase, and the ceramics showed lower density and larger average grain size. For the electrical characterization we used the following atmospheres: vacuum, air, argon containing 5% hydrogen and argon containing 15% hydrogen. The results showed that the barium stannate shows a significant sensitivity to the conductivity in the studied atmospheres at temperatures above 100oC.

A proposta deste trabalho é a produção de matrizes de nanotubos de dióxido de titânio seguindo os métodos de anodização eletroquímica de titânio estabelecidos da literatura. O objetivo central é a compreensão aprofundada das etapas do processo de crescimento dos nanotubos de TiO2, para posterior otimização de sua síntese visando as diferentes aplicações. Com este propósito foram realizados sistematicamente os seguintes estudos: das diferentes fases de crescimento dos nanotubos de TiO2, do efeito dos diferentes parâmetros de anodização na morfologia dos nanotubos e da reprodutibilidade dos processos. Visando as diferentes aplicações foram estudados métodos para obtenção de membranas autossustentadas e remoção de nanoresíduos. O método de camada sacrificial de fotoresiste positivo apresentou melhor resultado para remoção de nanoresíduos do topo dos nanotubos de TiO2 do que as demais técnicas. Por último, os arranjos obtidos com esta método foram aplicados na fabricação dos sensores de pH. / This work proposes the production of titania nanotubes arrays following the electrochemical anodization methods of a titanium sheet established in the literature. The main goal is a deep comprehension of the different TiO2 nanotubes growth stages for further optimization aiming the diverse applications. In this way the following systematic studies were performed: of the initial growth stages, of the effect of each anodization parameter on the nanotubes morphology and of the process reproducibility. In addition, methods for the production of self-sustained membranes as well as for obtaining a nanotube array surface free of nanoremnants were studied aiming the different applications. Positive photoresist bases sacrificial layer method presented a better result to eliminate nano-remnants on top of TiO2 nanotubes than other techniques. Finally, the nanotubes arrays obtained with this method were utilized for pH sensors fabrication.

Neste trabalho foram estudadas as características elétricas e ópticas de filmes de carbono tipo diamante (DLC Diamond-Like Carbon) depositados em um sistema de sputtering RF magnetron reativo em substratos de silício e vidro. Foram depositadas amostras em condições de processo distintas em cada tipo de substrato, sendo duas condições de pressão (5 mTorr e 10 mTorr) e para cada uma, quatro condições de potência de RF (100 W, 150 W, 200 W e 250 W). Os filmes depositados foram submetidos às seguintes técnicas de caracterização: perfilometria, para obtenção da espessura dos filmes e com isso a taxa de deposição; elipsometria, para obtenção do índice de refração; obtenção de curvas I-V, para obtenção da resistividade elétrica e cálculo do ganho de foto corrente, e da curva C-V de alta frequência, para cálculo da constante dielétrica dos filmes; transmitância óptica, para o cálculo do gap óptico através do método de Tauc; fotoluminescência, para determinar a emissão característica deste gap e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), para se observar os tipos de ligações presentes no filme e calcular a relação entre hibridizações sp3 e sp2 entre átomos de carbono e hidrogênio no filme. As variações de algumas características dos filmes de DLC com os parâmetros de processo são apresentadas e comparadas. De acordo com as características dos filmes obtidos neste trabalho, com a variação dos parâmetros de processo, é possível sua aplicação como dielétrico de campo, por apresentarem baixa constante dielétrica, sendo o valor mais baixo obtido igual a 3,4; como material dielétrico de porta considerando os filmes com alta constante dielétrica, chegando a 6,7; como material para cobertura, devido à alta uniformidade (até 95%); e, o que foi mais explorado neste trabalho, para aplicações como sensores foto sensíveis, sendo que o maior ganho de foto corrente obtido foi 67 vezes. A possibilidade de produção de filmes de DLC com diferentes propriedades através da variação das condições de processo mostra sua versatilidade para uso em diferentes aplicações. / In this work it was studied electrical and optical characteristics of diamond-like carbon (DLC) films deposited in a reactive RF magnetron sputtering system on silicon and glass substrates. Samples were deposited at different process conditions in each type of substrate at two pressure conditions (5 mTorr and 10 mTorr) and four conditions of RF power (100 W, 150 W, 200 W and 250 W). The DLC films were characterized by the following techniques: high step meter analysis, to obtain the thickness of the films and thus the deposition rate; Ellipsometry to obtain the refractive index; electrical characterization by the I-V curve, to obtain the resistivity and calculate the photo current gain, and high-frequency C-V curve, to calculate the dielectric constant of the films; optical transmittance, to calculate the optical gap by the Tauc method; photoluminescence analysis, to determine the characteristic emission of this gap; Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), to observe the different carbon-hydrogen bonds and calculate its sp3/sp2 hybridizations ratio. The way some characteristics of DLC films vary with the process parameters are presented and compared in this work. According to the characteristics of the DLC films obtained in this work, with the variation of the process parameters it is possible their application as low k dielectric insulators, because of its low dielectric constant, being the lowest obtained value 3.4; as dielectric gate material, reaching 6.7 in the films deposited in this work, as coating material due to its high uniformity (95%), and which was further explored in this work, for applications like photo-sensitive sensors, since it was obtained samples with photo current gain up to 65. The possibility of producing DLC films with different properties by varying process parameters shows its versatility for using in different applications.

GaN is a monocrystalline material that can be grown using metallo-organic chemical vapour deposition (MOCVD), and has desirable mechanical and semiconducting properties for operating as a sensor. It has a Young’s modulus of 250 to 350 GPa, which shows little decrease with respect to temperature beyond 400°C. GaN also exhibits piezoelectric and piezoresistive effects, meaning that it will generate a charge and its electrical resistance will change when the material is strained respectively. In this PhD, GaN has been used as the base material for pressure sensors that potentially can be used in excess of 400°C and at a pressure in excess of 50 bar (5 MPa), with potential applications in aerospace and oil exploration. The pressure sensor is a circular diaphragm created from a GaN/sapphire wafer, and was designed and tested in order to determine if GaN can act as a sensing material in these environments. In addition to the diaphragm sensor, GaN templates that can potentially be used for sensors were grown using an epitaxial layer overgrowth (ELOG) method. These sensors are potentially more mechanically robust than similar templates etched out of GaN/sapphire wafers because they will have less inbuilt strain due to lower dislocation densities. It was possible to release beams and cantilevers from GaN ELOG templates. Mechanical probe tests were undertaken on these devices to see if they were fully released and robust. GaN single crystal growth requires a substrate material, such as (111) silicon or (0001) sapphire, meaning that the thermal properties of the substrate are important for a device operating in excess of 400°C. GaN high electron mobility transistors are heat sensitive, experiencing a decrease in current between the drain and source terminals as the temperature increases. Therefore a GaN-based sensor needs a substrate with the highest possible thermal conductivity to act as a heat sink, which means removing as much heat as possible from the GaN sensor. Diamond has superior thermal conductivity to both sapphire and silicon, so a novel silicon/polycrystalline diamond composite substrate has been developed as a potential GaN substrate. Polycrystalline diamond (PD) can be grown on 4 inch diameter wafers using hot filament chemical vapour deposition (CVD), on (111) silicon (Si) from which single crystal GaN epitaxy can also be grown. In order for the (111) Si/PD composite substrates to be useful heat sinks, the Si layer needs to be less than 2 m. PD was initially grown on 525 to 625 m thick Si wafers that required thinning to 2 m. Achieving this Si layer thickness is difficult due to the presence of tensile stress in the Si caused by a mismatch in the coefficients of thermal expansion (CTEs) between Si and PD. This stress causes the wafer to bow significantly and has been modelled using ANSYS FE software. The models show that the bow of the wafer increases when it is thinned, which will eventually cause the Si layer to delaminate at the Si/PD interface due to poor adhesion and a build up for shear stress. When the Si layer is mechanically thinned, the Si layer can crack due to clamping. The experimental wafer bow and micro-Raman measurements validate the model for when the silicon layer is thicker than 100 m and these results show that an alternative processing route is required.

Loneliness and social isolation can have a serious impact on one’s mental health, leading to increased stress, lower self-esteem, panic attacks, and drug or alcohol addictions. Older adults and international students are disproportionately affected by loneliness. This thesis investigates Socialoscope, a smartphone app that passively detects loneliness in smartphone users based on the user’s day-to-day social interactions, communication and smartphone activity sensed by the smartphone’s built-in sensors. Statistical analysis is used to determine smartphone features most correlated with loneliness. A previously established relationship between loneliness and personality type is explored. The most correlated features are used to synthesize machine learning classifiers that infer loneliness levels from smartphone sensor features with an accuracy of 90%. These classifiers can be used to make the Socialoscope an intelligent loneliness sensing Android app. The results show that, of the five Big-Five Personality Traits, emotional stability and extraversion personality traits are strongly correlated with the sensor features such as number of messages, number of outgoing calls, number of late night browser searches, number of long incoming or outgoing calls and number of auto-joined trusted Wi-Fi SSIDs. Moreover, the classifier accuracy while classifying loneliness levels is significantly improved to 98% by taking these personality traits into consideration. Socialoscope can be integrated into the healthcare system as an early warning indicator of patients requiring intervention or utilized for personal self-reflection.

"N-(1-methylpyrene) monoaza-15-crown-5 (P5), N-(1-methylpyrene) monoaza-18-crown-6 (P6), N-(9-anthryl-methyl) monoaza-15-crown-5 (A5), N-(9-anthryl-methyl) monoaza-18crown-6 (A6), were synthesized and tested as fluoroionophores for potassium and sodium cations. Upon metal ion complexation, fluorescence yields increased dramatically due to an internal photoinduced electron transfer quenching mechanism (an off-on fluorescence switch). The results for these model compounds led to the design and synthesis of 1,3 alternate calixarene[4]arenecrown-5 (I) and bicyclic peptide (V). Calixarene I was synthesized and found to selectively complex potassium cations as predicted. The design of bicyclic peptide V is directed toward the selective complexation of ammonium cations. The synthesis of V involved the preparation of an open chain hexa-peptide consisting of two trityl-protected homoserine residues. Addition of an amino methyl pyrene across two homoserine residues was attempted by triflating the alcohols. The cyclization of the peptide ring is expeded to produce a basket-like structure that molecular modeling indicates should have improved selectivity over that of nonactin, the current industry standard."

Alcohol abuse is the third leading lifestyle-related cause of death for individuals in the United States, causing 88,000 deaths each year in the United States from 2006-2010. Existing smartphone applications allow users to manually record their alcohol consumption or take cognitive tests to estimate intoxication levels; however, no smartphone application passively determines one's level of intoxication. After gathering smartphone sensor data from 34 "intoxicated" subjects, we generated time and frequency domain features such as sway area (gyroscope) and cadence (accelerometer), which were then classified using a supervised machine learning framework. Other novel contributions explored include feature normalization to account for differences in walking styles and automatic outlier elimination to reduce the effect of accidental falls by identifying and removing the top and bottom of a chosen percentage of the data. Various machine learning classifier types such as Random Forest and Bayes Net were compared, and J48 classifier was the most accurate, classifying user gait patterns into BAC ranges of [0.00-0.08), [0.08-0.15), [0.15-0.25), [0.25+) with an accuracy of 89.45%. This best performing classifier was used to build an intelligent smartphone app that will detect the user's intoxication level in real time.