La electrónica impresa con inkjet utilizando tintas líquidas termocurables exhibe características geométricas irregulares. Es posible imprimir dispositivos microelectrónicos y pistas de interconexión sobre un mismo sustrato. He revisado los métodos y procedimientos de caracterización estándar en microelectrónica, mediante validación cuantitativa con estudios sobre dispositivos pasivos y activos impresos con inkjet, partiendo de la premisa de que no pueden aplicarse directamente a esta tecnología emergente. Definiendo las características geométricas y eléctricas de interés, en relación con su estabilidad y variabilidad, para la selección de instrumentación y experimentación adecuada para su extracción. En esta tesis se reporta y se analiza la utilización de diferentes estructuras de prueba para caracterizar la geometría de circuitos electrónicos impresos con inkjet. Al diseñar estructuras de prueba se debe considerar los efectos de coalescencia de tinta y el efecto de anillo de café. Este trabajo presenta un análisis morfológico de intersecciones multi línea impresas con inkjet, que son estructuras críticas cruciales para construir circuitos. He estudiado estructuras con capas delgadas de tinta conductora de nano partículas de plata impresas con inkjet. La inestabilidad de la tinta durante la impresión causa irregularidad en los vértices, normalmente con picos en estas áreas. He propuesto utilizar patrones específicos para las intersecciones como compensaciones de regularidad en el grosor. Los resultados muestran que algunos patrones ayudan a reducir la inestabilidad y a mejorar la regularidad del grosor. De allí defino una metodología empírica que permite compensar diseños para imprimir con inkjet, la cual ha sido validada para las intersecciones multilínea en la capa de interconexión de circuitos. / Inkjet printed electronics using thermocurable liquid inks exhibits irregular geometric characteristics. It is possible to print microelectronic devices and interconnects on the same substrate. I have reviewed the methods and procedures for characterization the standard microelectronics, this was done through a qualitative validation with studies on printed passive and active devices, with the premise that standard procedures cannot be applied directly into this emergent technology. This review allow to define the geometrical and electrical characteristics of interest, and its relationship with the stability and variability in order to choose adequate experimentation and instrumentation for the characterization processes. An analysis of the usage for different microelectronic test structures applied to inkjet printed circuits is reported in this thesis. Those test structures are used in characterization procedures to extract geometrical and electrical features. Design of inkjet printed test structures should consider the ink coalescence and coffee ring effects. This thesis presents a morphological analysis for inkjet printed multi line intersections that are critical structures for building circuits. I have studied thin-film structures of silver conductive ink and printed by inkjet technology. Instability of the ink during printing causes the thickness irregularity of vertex, normally with peaks at these areas. I have proposed and tested the usage of specific patterns for intersections as thickness regularity compensations. The results show that some patterns help to reduce this instability and improve the thickness regularity of intersections morphology. From this I define an empiric methodology that allows the compensation of designs for inkjet printing, this methodology has been validated for the case of multi-line intersections for the wiring layer of circuits.

Una alternativa al tratamiento de aguas residuales urbanas mediante lodos activos son los sistemas de biomasa granular. Las características morfológicas de la biomasa granular le confieren, principalmente, dos ventajas sobre la biomasa floculenta: (i) la habilidad de sedimentar más rápido, y (ii) la posibilidad de realizar simultáneamente procesos aerobios, anóxicos y anaerobios dentro. Dos sistemas basados en biomasa granular han demostrado potencial en el tratamiento de aguas urbanas. En primer lugar, los reactores secuenciales granulares (GSBR), donde se llevan a cabo los mismos procesos biológicos que en los sistemas de lodos activos, pero con las ventajas de la biomasa granular. En segundo lugar, un tratamiento de aguas residuales urbanas basado en tecnología anammox, el cual permitiría una depuración de aguas sin aporte o incluso productora de energía. Esta tesis busca incrementar el conocimiento de estos sistemas de biomasa granular, con el objetivo último de confirmar si la biomasa granular puede ser una alternativa real al tratamiento de aguas residuales urbanas con lodos activos. Para el tratamiento de aguas residuales urbanas con GSBRs, se realizaron dos estudios diferentes. En primer lugar, se estudió el tratamiento un agua residual de baja carga en un GSBR a escala piloto operado durante 11 meses. Se obtuvieron y mantuvieron gránulos maduros durante 5 meses. La eliminación biológica de nitrógeno fue principalmente vía nitrito. La eficacia de nitrificación fue del 75% y se obtuvo desnitrificación simultánea a la nitrificación durante las fases aerobias del GSBR. Se observó una acumulación progresiva de sales de fósforo (probablemente apatita) entre los días 150 y 300, que pudo influir negativamente en desestabilización de los gránulos al final del periodo experimental. En segundo lugar, se llevó a cabo un estudio mediante modelización matemática para determinar estrategias de control automático que permitan mejorar la eliminación biológica de nitrógeno en un GSBR. Se diseñaron simulaciones específicas para elucidar el efecto sobre la eficacia de nitrificación-desnitrificación de la concentración de oxígeno disuelto, el tamaño de gránulo, la ratio C/N del afluente y la carga volumétrica de nitrógeno. Los resultados de las simulaciones mostraron que se pueden obtener altas eficacias de eliminación de nitrógeno simplemente fijando la consigna de oxígeno disuelto apropiada. Esa consigna apropiada se puede encontrar fácilmente en función de la concentración de amonio en el efluente. Se usaron estos resultados para proponer una estrategia de control que mejorara la eficacia de eliminación de nitrógeno. Respecto al tratamiento de aguas residuales urbanas basado en tecnología anammox en un sistema de 2 etapas, se realizaron dos estudios adicionales. En el caso de la nitritación parcial, se operó un reactor granular de 2.5L trabajando en continuo, tratando un agua residual con una concentración de nitrógeno baja y a bajas temperaturas. Se obtuvo, durante más de 450 días, un efluente adecuado para alimentar un reactor anammox posterior, incluyendo más de 365 días a temperaturas iguales o menores a 15 ºC. Se usó un modelo matemático ya existente para explorar las razones que permitieron obtener nitritación parcial a temperaturas tan bajas. Finalmente, se usó la técnica de la pirosecuenciación para explorar cambios en la estructura de la comunidad microbiana de un reactor granular anammox tras un choque térmico. Tras el choque térmico, la capacidad de eliminación de amonio se redujo un 92%. Los resultados de la pirosecuenciación indicaron que la diversidad microbiana en el reactor aumentó a medida que el reactor se recuperaba del choque térmico. En general, los resultados de la pirosecuenciación fueron acordes con los resultados de eliminación de nitrógeno y con los test de actividad anammox realizados durante el proceso de recuperación. Se usó un primer anammox específico para determinar con precisión las especies anammox en el reactor. / Granular biomass has been proposed as an alternative to activated sludge for the sewage treatment. The morphological characteristics of granular biomass, provides granules two main advantages over flocular biomass: (i) the ability of settling faster, and (ii) the possibility of performing aerobic, anoxic and anaerobic processes simultaneously. Two different granular systems have a demonstrated potential for the treatment of urban wastewater. First, aerobic granular sequencing batch reactors (GSBR), which perform the same nutrient removal process occurring in activated sludge systems, but taking advantage of the abovementioned granular sludge properties. Second, an anammox-based sewage treatment, which could allow obtaining a more sustainable (energy-neutral or even energy-positive) wastewater treatment. This thesis is focused in improving the knowledge of these granular biomass systems towards confirming granular biomass as a real alternative to urban wastewater treatment with activated sludge. For urban wastewater treatment with GSBRs, two different studies were done. First, the stability of granules and their performance at pilot scale were first studied in a 100 L GSBR treating low-strength wastewater for simultaneous carbon, nitrogen and phosphorus removal was operated for eleven months. Mature granules prevailed in the GSBR during a period of five months. The biological nitrogen removal with mature granules was mainly performed via nitrite. Nitrification efficiency was higher than 75% and occurred simultaneously with denitrification during the aerobic phase of the GSBR. A progressive accumulation of P-salts (probably apatite), was found from days 150 to 300, which could enhance the destabilization of granules at the end of the experimental period. Second, a model-based study was carried out to determine the guidelines to design an automatic control strategy with the final aim of enhancing biological N-removal in a GSBR. Specific simulations were designed to elucidate the effect of DO concentration, granule size, influent C/N ratio and NLR on the nitrification-denitrification efficiency. Simulation results showed that, in general, high N-removal efficiencies (from 70 to 85 %) could be obtained only setting the appropriate DO concentration. That appropriate DO concentration could be easily found based on effluent ammonium concentration. Those results were used to propose a control strategy to enhance N-removal efficiencies. Regarding the anammox-based sewage treatment in a two-step system, two additional studies were carried out. For the partial nitritation step, a bench-scale granular sludge bioreactor was operated in continuous mode with a low nitrogen concentration wastewater at low temperatures. An effluent suitable to feed a subsequent anammox reactor was maintained stable during more than 450 days, including more than 365 days at temperatures equal or lower than 15ºC. A previously existing mathematical model was used to determine why partial nitritation was feasible. Simulations showed that NOB was only effectively repressed when their oxygen half-saturation coefficient was higher than that of AOB. Simulations also indicated that a lower specific growth rate of NOB was maintained at any point in the biofilm due to the bulk ammonium concentration imposed through the control strategy. Finally, pyrosequencing technique was used to explore the microbial community structure changes during the recovery process of an anammox granular reactor after a temperature shock. The temperatures shock reduced the nitrogen removal rate up to 92% compared to that just before the temperature shock, and it took 70 days to recover a similar nitrogen removal rate to that before the temperature shock. Pyrosequencing results indicated that microbial diversity in the reactor decreased as the reactor progressively recovered from the temperature shock. In general, pyrosequencing results were in agreement with N-removal performance results and SAA measured in the reactor during the recovery process. An anammox specific primer was used to precisely determine the anammox species in the biomass samples.

La reducción de los dispositivos MEMS hasta la nano escala (NEMS) ha permitido el acceso a nuevos dominios de la física y promete revolucionar las aplicaciones de sensado. Sin embargo esta miniaturización ha sido conseguida a costa de procesos de fabicración complicados y no reproducibles. Es por ello que esta tesis trata de obtener dichos dispositivos NEMS a partir de una tecnologia CMOS comercial (ST 65nm). Con este objetivo un estudio en detalle de la tecnología ST 65nm es llevado a cabo para posteriormente definir en ella estructuras NEMS en sus diferentes capas (en polysilicio con un grosor y ancho de 60 nm x 100 nm y en metal 1, cobre , con unas dimensiones de 90nm x 100nm). Un nuevo post proceso de liberación es presentado que nos permite liberar las estructuras, demostrando así su correcta fabricación. Sin embargo, fruto de esta miniaturización las señales eléctricas usadas para sensar su movimiento se reducen también. Como alternativa a un sensado capacitivo estudiamos la viabilidad de adaptar a nuestro proceso de fabricación CMOS-MEMS a un método de transducción basado en un transistor cuyo puerta resuena, su movimiento modula las cargas del canal y dicho desplazamiento puede ser leído en la corriente del puerta del transistor. Mediante dicho método de transducción la respuesta en frecuencia de un resonador de polysilicio a 24 MHz fue leída y su funcionamiento como interruptor a bajos voltajes (2.25 V pull-in) fue validado. Además, proponemos el uso de interruptores mecánicos no solo como memorias o en aplicaciones lógicas (gracias a su eficiencia energética) sino como el elemento base para la implementación de un oscilador en anillo, completamente mecánico. Con este oscilador ampliamos el rango de aplicación de los interruptores N/MEMS a nuevos campos como el sensado de masa pero con el valor añadido de tener una señal digital. Para implementar esta nueva configuración presentamos un modelo y desarrollamos interruptores mecánicos en diferentes tecnologías CMOS intentando siempre reducir sus dimensiones. Con estos interruptores mecánicos CMOS hemos conseguido voltajes de operación bajos (5V), respuestas abruptas (4.3 mV/decada) y una buena relación ION/IOFF (1.104). / The reduction of MEMS devices dimensions to the nano scale (NEMS) has allowed them to access a host of new physics and promise to revolutionize sensing applications. However this miniaturization has been obtained at an expense of dedicated, difficult and non reproducible fabrication processes. This thesis deals with the miniaturization of MEMS structures following a CMOS-MEMS approach. In order to it a small pitch CMOS technology (ST 65nm) is studied in depth, NEMS structures are defined using its available layers (width= 60 nm, thickness= 100nm in polysilicon and width= 90nm, thickness= 180nm in metal 1 based on copper) and a post-CMOS releasing process is developed in order to release them. Successful integration of NEMS devices is demostrated with the added value of a robust, reproducible fabrication and an easy integration with additional circuitry. However this aggressive scaling has a main drawback, small output signals. As an alternative to capacitive read-out, the implementation of a resonant gate transduction, based on the idea of modulate the charge of a transistor by the movement of a mechanical structure, is studied and implemented. The frequency response of a polysilicon resonator implemented in AMS 0.35um CMOS technology (24 MHz) has been successfully characterized and its operation as a low voltage switch (2.25 V pull-in) is demonstrated. In addition, we propose the use of mechanical switches not only as memory or logic devices (due to its energy efficiency), but also as the building blocks of a ring oscillator configuration composed exclusively by mechanical switches. This new approach extends their use to other application as mass sensing but with the added value of a digital output signal. In order to implement this new configuration a model to simulate its behavior is developed and mechanical switches are built using different CMOS technologies, trying always to reduce their dimensions. Low operating voltages (5 V, MIM approach), abrupt response (4.3 mV/decade, ST Metal 1) and good ION/IOFF ratio (1.104, MIM approach) are obtained.

En els darrers anys ha anat creixent l’interès per la fabricació de sistemes de baix cost, flexibles i sobre gran àrea com, per exemple, les etiquetes RFID per a identificació de productes, les pantalles flexibles o les etiquetes intel•ligents entre d’altres. La tecnologia d’impressió electrònica (Printed Electronics) s’ha posicionat com una de les tecnologies alternatives de fabricació més prometedores pel fet de no utilitzar tècniques fotolitogràfiques i de buit. Alhora, la millora en materials orgànics i inorgànics ha provocat un increment en les prestacions dels dispositius impresos. Tot i això, la fabricació de transistors orgànics, element clau per a construir circuits electrònics d’adquisició o processament, es veu afectada per la poca resolució i registre entre capes de les tecnologies d’impressió actuals com inkjet o gravat. Per compensar-ho, els transistors implementats utilitzant aquestes tecnologies tenen llargades de canal molt grans i grans solapaments entre porta i font/drenador. Aquestes grans dimensions limiten les prestacions dels transistors impresos, tot i les millores obtingudes en els materials. Aquesta tesi està enfocada en contrarestar els problemes provocats per la poca resolució en impressió utilitzant tècniques de compensació i noves geometries de dispositius mantenint el procés completament inkjet. Aquest treball s’enfoca en el desenvolupament de dispositius microelectrònics passius i actius implementats amb maquinària inkjet de baix cost. He enfocat el meu esforç en el disseny, la fabricació i la caracterització (elèctrica i morfològica) amb l’objectiu de fer possible la fabricació de circuits integrats orgànics. En el marc de la tesi, s’han fabricat varis milers de transistors, capacitats i resistències exclusivament amb tecnologia inkjet. Tots els dispositius s’han caracteritzat tant elèctrica com morfològicament. S’ha dut a terme un gran número d’experiments per assegurar una fabricació eficient, estudiar la variabilitat dels paràmetres i obtenir dades estadísticament significatives. La variació en els processos de fabricació de transistors porta a una important variabilitat en els paràmetres dels dispositius impresos fins ara poc estudiada. Escalabilitat, variabilitat i rendiment s’han analitzat utilitzant diferents estratègies. S’han obtingut circuits digitals amb un comportament adient, demostrant l’estat actual de la tecnologia inkjet per a integrar dispositius impresos en circuits. Aquest és un primer pas en el camí per fabricar circuits més complexes amb tecnologia d’impressió inkjet. La quantitat de mostres fabricades amb tecnologia inkjet es pot considerar com un assoliment important i contribueix a millorar el coneixement del comportament i els orígens de fallades dels dispositius orgànics i impresos. / In the last years there has been a growing interest in the realization of low-cost, flexible and large area electronic systems such as item-level RFID tags, flexible displays or smart labels, among others. Printed Electronics has emerged as one of the most promising alternative manufacturing technologies due to its lithography- and vacuum-free processing. Related to this, organic and inorganic solution processed materials advanced rapidly improving the performance of printed devices. However, the fabrication of organic transistors, key element to build circuits for acquisition and processing, suffers from the poor resolution and layer-to-layer registration of current printing techniques such as inkjet and gravure printing. To compensate that transistors implemented in those technologies have large channel lengths and large gate to source/drain overlaps. These large dimensions limit the performance of the printed transistors, despite the improvements in materials. This thesis focuses on circumventing the printing resolution challenges using compensation techniques and new layout geometries while keeping an all-inkjet purely printing process. The dissertation deals with the development of microelectronic passive and active devices implemented using low-cost inkjet printing machinery. I focussed my effort in the design, manufacturing & characterization (electrical and morphological) points of view in order to allow the fabrication of organic integrated circuits. Several thousands of resistors, capacitors and transistors were fabricated, all of them fully inkjet-printed. All devices were morphologically and electrically characterized. A high number of experiments were developed to ensure efficient manufacturing and report on parameter variation, thus obtaining statistically significant data. Process variations present in transistor fabrication lead to a certain variability on the resulting transistor parameters that need to be taken in account. Scalability, variability and yield were analysed by using different strategies. Fabricated inverters show a clear inversion behaviour demonstrating the state of the inkjet fabrication process to integrate printed devices in circuits. This is a first step in the way to fabricate all-inkjet complex circuits. The amount of samples manufactured by the fully inkjet printing approach can be considered an outstanding achievement and contributes to a better knowledge of the behaviour and failure origins of organic and printed devices.

La presente tesis ha sido realizada principalmente en el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB) del CSIC, y en parte también en el Instituto de Nanotecnología de Lyon (Francia) del CNRS. El Dr Francesc Pérez-Murano ha codirigido la tesis en el CNM, y el Pr Georges Brémond en el INL. Este trabajo se enmarca en el proyecto europeo NaPa ('Emerging Nanopatterning Methods') cuyo objetivo es desarrollar técnicas emergentes, industrializables a medio plazo, de litografía a nivel nanométrico, y sus posibles aplicaciones. Así pues, los objetivos principales de la tesis han sido los desarrollos simultáneos (i) de sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) integrados en CMOS, y (ii) de procesos de fabricación basados en una técnica avanzada de nanolitografía llamada 'nanostencil lithography' para poder fabricar tales sistemas monolíticos.Como primer paso, dos tipos de resonadores nano/micromecánicos ('cantilevers' y 'quad-beams') se han modelado analíticamente para poder estudiar su respuesta frecuencial mecánica. Con el objetivo de excitarlos y detectarlos eléctricamente, se ha optado por una técnica capacitiva. Para poder prever el comportamiento eléctrico de la estructura mecánica se ha implementado un modelo mixto electromecánico. Luego se han estudiado las ventajas y la viabilidad de una integración monolítica con circuitería CMOS. En efecto, los NEMS/CMOS son sistemas que combinan extraordinarias propiedades de sensado, proporcionadas por la parte móvil mecánica, con la posibilidad de detectar la señal de salida en condiciones mucho más favorables: las capacidades parásitas son reducidas drásticamente al tratar dicha señal a través de una circuitería CMOS 'on-chip'. Por este motivo, se ha diseñado especialmente un circuito CMOS de lectura y de bajo consumo. Funciona como amplificador de transimpedancia para convertir la corriente creada por la resonancia mecánica en un voltaje de salida suficientemente alto. A partir de simulaciones, se ha analizado exhaustivamente (i) el comportamiento intrínseco de este circuito y (ii) cuando está acoplado al resonador mecánico.Sin embargo, la fabricación de tales nanodispositivos integrados en CMOS constituía un reto ya que la integración a nivel de oblea entera de NEMS sobre CMOS mediante procesos no excesivamente costosos no había sido demostrada aún al inicio de esta tesis. Debido a esto, se puso en marcha una colaboración con el EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza) para desarrollar la litografía 'nanostencil' con el objetivo de integrar a escala de oblea entera estructuras mesoscópicas (micro y nano) sobre circuitos CMOS pre-fabricados. Después de identificar los principales problemas iniciales, se ha podido desarrollar con éxito una tecnología de post-proceso que permite integrar NEMS en CMOS mediante una única etapa de litografía nanostencil. En paralelo, otro post-proceso basado en una etapa de litografía por haz de electrones ('e-beam lithography') se ha puesto a punto de manera que se pueden fabricar nuevos prototipos de nanodispositivos sobre CMOS en cortos plazos de tiempo.La caracterización eléctrica de estos NEMS/CMOS se ha llevado a cabo tanto en aire como en vacío y se ha demostrado el correcto funcionamiento del dispositivo NEMS/CMOS fabricado. Han sido analizados los niveles de señal obtenidos experimentalmente y las características principales de los espectros de resonancia.Finalmente, estos NEMS/CMOS han sido implementados como sensores de masa. Actualmente, esta aplicación de los NEMS es una de las más exploradas ya que los resonadores nano/micromecánicos ofrecen grandes ventajas en términos de sensibilidad e integración de sistemas comparados con las tradicionales microbalanzas de cuarzo. En este contexto, se han llevado a cabo cuatro experimentos diferentes: (i) en colaboración con un grupo de investigación en química física se ha estudiado mediante un resonador nano/micromecánico, utilizado como nano/microbalanza, la evaporación de gotas de volúmenes extremadamente reducidos, del orden del femtolitro (10-15), para profundizar en los conocimientos necesarios para el desarrollo de dispositivos de nano/microfluídica; (ii) una arquitectura nueva de resonador, basada en una palanca doble ('doble cantilever'), se ha diseñado y testeado. Este dispositivo novedoso permite hacer medidas de masa en condiciones ambientales con una auto-referencia proporcionando la incertidumbre de la medida; (iii) se han hecho pruebas de deposición en alto vacío de capas ultra-finas de oro (de espesor equivalente inferior a una mono-capa) sobre resonadores. De esa manera, se ha demostrado la gran sensibilidad en masa distribuida de estos dispositivos, en particular al comparar su respuesta con la de una microbalanza de cuarzo a la que superan por entre dos y tres ordenes de magnitud a nivel de sensibilidad; (iv) basándose en los resultados del experimento previo de deposición de oro, se está diseñando, y sigue en curso, un sistema 'quasi-dinámico' de litografía nanostencil junto con el EPFL. Este sistema consiste en efectuar deposiciones sucesivas de distintos materiales a través de un nanostencil desplazado entre cada deposición: de esa manera se obtienen multi-depósitos estructurados y ultra-puros. De manera muy novedosa, el sensor de masa NEMS/CMOS se utiliza aquí como sensor de alineamiento entre la membrana nanostencil y el substrato a litografiar. / This thesis has been a co-direction between Dr. F. Pérez-Murano from CNM-CSIC, Barcelona (Spain) and Pr. G. Brémond from INSA Lyon/INL-CNRS (France). This work involves two main aspects: one has to see with the modeling, the design and the operation of a nanomechanical device integrated on CMOS, and the other on nanofabrication techniques.First, the mechanical and electrical behavior of electrostatically actuated nano/microresonators (cantilevers, bridges and quad-beams) embedded in a capacitive detection scheme have been analyzed. In such a scheme, the main issue comes from parasitic stray capacitances that can drastically degrade the performance of the transduction. Additionally, output parasitic capacitances arising from the measurement instrumentation can further reduce the available signal levels. In this sense, the advantages and the feasibility of a monolithic integration with CMOS circuitry have been studied. Indeed NEMS/CMOS are very promising systems which combine outstanding sensing attributes, thanks to the mobile mechanical part, with the possibility to electrically detect the output signal in enhanced conditions. Regarding the electrical response, such integration provides two major advantages: (i) reducing all the parasitic loads at the resonator output, and (ii) amplifying and conditioning 'on-chip' the resonance signal. Hence, a specific low-power CMOS readout circuit, whose function is to read out the capacitive current generated by a resonating nano/micromechanical device, has been designed. It is basically a transimpedance amplifier whose architecture is based on a second generation current conveyor. Its topology and the corresponding layout have been described and the circuit behavior (intrinsic and coupled to the NEMS) has been fully simulated. According to simulation results, the detection of the resonance of nano/microresonators is greatly enhanced through the CMOS integration.Then, NEMS/CMOS devices have been fabricated combining a standard CMOS technology (CNM one) with emerging nanopatterning techniques, in particular with nanostencil lithography (nSL), of which the resolution and the conditions of applications have been optimized. Our works demonstrate the potential of nSL as a parallel, straightforward and CMOS compatible patterning technique to define at full wafer scale nanodevices on CMOS. These results represent the first time that an emerging nanolithography technique has been used to pattern multiple N-MEMS devices on a whole CMOS wafer in a parallel, potentially low-cost approach. The same strategy could be extended to other examples of nanodevices, such as single electron transistors on CMOS, for which there is at present no affordable technological process that fulfill the requirements of high resolution processing at wafer scale and CMOS compatibility.After their fabrication, fully integrated nanomechanical resonators (cantilevers and quad-beams) have been extensively characterized electrically. Their mechanical resonance has been successfully sensed by the CMOS circuitry. Cantilevers and quad-beams have exhibited quality factors in vacuum up to 9500 and 7000 respectively. The resonance frequency could be tuned by varying the driving voltage and interesting hysteretic non-linear behaviors have been observed either in air or in vacuumFinally, these resonators have been implemented as ultra-sensitive mass sensors in four different applications: in this way the extreme versatility and the high performance of such sensors has been demonstrated. Indeed, such ultra-sensitive nanosensors open up new possibilities of exploring new physical or chemical phenomena previously unattainable with any other tools. In the first experiment, wetting mechanisms of sessile droplets have been explored at very small scales (volumes in the femtoliter range) implementing the resonators as nano/microbalances. Such phenomena could not have been analyzed with traditional quartz microbalances whose mass resolution is more limited. In the second experiment, a new architecture of resonator based on a double nano/microcantilever has been designed and tested: this new device allows making reliable measurements under ambient conditions by providing a direct estimation of the measurement uncertainty.The fact that NEMS-based mass sensors provide an unprecedented mass sensitivity and a very high spatial resolution inherent to their small size makes of them interesting devices for industrial applications as well. With regard to this matter, another experiment has consisted in monitoring in-situ the deposition of ultra-thin gold layers both with NEMS/CMOS and quartz-crystal microbalances. When measuring in real time the mass of these uniform deposits of thicknesses inferior to sub-monolayer, silicon nano/microresonators have exhibited a mass sensitivity better than QCM by between two and three orders of magnitude. This is very promising with regard to the possibility of replacing QCM in the semiconductor industry as a tool to monitor the deposition of thin layers. These outstanding mass sensing attributes have led us to apply such sensors as positioning sensors according to an innovative concept. In fact, CNM and EPFL are presently developing a 'quasi-dynamic' stencil lithography system. This system consists in performing successive depositions of several materials through a nanostencil shadow mask which is displaced in-between each deposition: in this way high-purity and structured multi-deposits can be obtained. In this context, NEMS/CMOS mass sensors are used as positioning sensors for the in-situ alignment between the movable nanostencil and the substrate to be patterned.

Aquest document resumeix el treball d'investigació realitzat per l'obtenció del títol de Doctor en Enginyeria Electrònica a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). El treball ha estat elaborat al Centre Nacional de Microelectrònica (CNM), a l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB). Les activitats del CNM-IMB estan dividides en 6 àrees d'investigació diferents, cobrint un ampli rang de dispositius microelectrònics: microsistemes i tecnologia de silici, transductors químics, dispositius i sistemes de potència, aplicacions biomèdiques, diseny de circuits electrònics i nanotecnologia. Aquest treball s'ha dut a terme dins d'aquesta última àrea. La major part de la feina s'ha emmarcat en el projecte d'investigació europeu FP6 NOVOPOLY (Novel functional polymer materials for MEMS and NEMS applications) que té com a objectius desenvolupar nous materials per aplicacions en l'àrea de la tecnologia dels micro- i dels nano- sistemes (MEMS i NEMS). Una altra part de la Tesi es va realitzar en el marc del projecte d'investigació europeu FP6 NaPa (Emerging Nanopatterning Methods) que pretén desenvolupar noves tècniques d'estampació nanomètrica com poden ser el NIL, soft lithography, la litografia basada en MEMS, etc. Ambdós projectes han estat fonts de motivacions, capital per recursos y col·laboradors que han contribuït notòriament en la formació d'aquesta Tesi. El primer objectiu d'aquest treball va ser el de establir les bases de la tecnologia de fabricació amb polímers en la Sala Blanca del CNM. El CNM sempre ha treballat amb tecnologia de silici però, donat que el polímers estan demostrant ser una alternativa de baix cost, era interessant (a nivell local) optimitzar aquests processos. Per altra banda, existeix un gran interès en modificar els polímers fotoestructurables existents, com la SU-8, afegint-los diferents funcionalitats i superant així les actuals limitacions d'aquests materials pel que fa a les seves propietats mecàniques, a la seva conductivitat elèctrica, a millorar la seva estabilitat a altes temperatures, etc. Aquests nous polímers poden representar en un futur pròxim les bases de l'avanç de la tecnologia de polímers, tant per aplicacions acadèmiques com industrials. Gràcies a les col·laboracions establertes en els projectes europeus abans mencionats, s'ha pogut presentar en aquesta Tesi el processat d'alguns nous polímers per algunes aplicacions concretes. Per tots aquests motius esmentats, aquesta Tesi és un compendi de diferents dispositius polimèrics, cadascun d'ells fabricat amb processos diferents, perquè o bé els materials o bé les tècniques no eren les mateixes. Per aquesta raó, la Tesi es divideix en 7 Capítols: La introducció pretén repassar l'estat de l'art de les tècniques de fabricació amb polímers. Com aquesta Tesi està enfocada en l'ús de polímers fotoestructurables per a la fabricació de dispositius, el principal procés és la UV lithography tot i que altres mètodes han estat desenvolupats per assolir millor resolució i millors resultats. Les tècniques litogràfiques que es poder utilitzar amb polímers estan breument descrites i també s'introdueixen tres tipus diferents de polímers per donar un coneixement bàsic dels conceptes més fets servir al llarg d'aquesta memòria. El Capítol 2 presenta la fabricació de sondes d'AFM polimèriques que podes ser utilitzades en qualsevol equip d'AFM comercial, demostrant així el seu camp d'aplicació, el seu baix cost de producció i la seva capacitat per a ser comercialitzades. Aquesta és la principal responsabilitat de què el CNM tenia dins del projecte Novopoly. El Capítol 3 és una extensió del capítol anterior però usant un nou material compost per nanopartícules i polímer. El nou material millora algunes de les propietats del polímer original i també s'afegeixen propietats que abans no tenia com pot ser l'actuació magnètica. En el Capítol 4 s'introdueix un nou polímer. En aquest cas, es demostra que el material és capaç de proporcionar actuació optotèrmica degut a que té un coeficient d'expansió tèrmic més elevat que la versió no dopada. A més, donat que el material és negre, l'actuació òptica en el espectre del visible és possible, el que obre noves possibilitats comparat amb el polímer estàndard. Un model teòric i un estudi complert del comportament d'aquesta actuació estan detallats. El Capítol 5 descriu com definir estructures de polímer utilitzant l'ink-jet printing i la soft-lithography. Aquestes dues tècniques han estat emprades per evitar la contaminació creuada entre els dipòsits d'un, prèviament fabricat, xip de microfluídica. Aquest capítol és un clar exemple de la flexibilitat que ofereix la tecnologia de polímer. Les tècniques d'Scanning Probe Lithography (SPL), Litografia per Feix d'Electrons (EBL) i la litografia UV es poden combinar per imprimir en fines capes de polímers tal i com es descriu en el Capítol 6. En aquest capítol s'inclouen els detalls del mecanisme de modificació local del polímers fent servir el Microscopi de Forces Atòmiques (AFM). Finalment, aquesta Tesi acaba amb les conclusions que estan resumides en el Capítol 7. En ell es comenten els principals resultats de cada un dels processos de fabricació desenvolupats en aquesta memòria. / Este documento resume el trabajo de investigación realizado para la obtención del título de Doctora en Ingeniería Electrónica en la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). El trabajo ha sido elaborado en el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM), en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB). Las actividades del CNM-IMB están divididas en 6 áreas de investigación diferentes, cubriendo un amplio rango de dispositivos microelectrónicos: microsistemas y tecnología de silicio, transductores químicos, dispositivos y sistemas de potencia, aplicaciones biomédicas, diseño de circuitos electrónicos y nanotecnología. Este trabajo se ha ejecutado dentro de esta última área. La mayor parte del trabajo se ha elaborado en el marco del proyecto de investigación europeo FP6 NOVOPOLY (Novel functional polymer materials for MEMS and NEMS applications) que tiene como objetivos desarrollar nuevos materiales para aplicaciones en el área de la tecnología de los micro- y de los nano- sistemas (MEMS y NEMS). Otra parte de la Tesis se realizó en el marco del proyecto de investigación europeo FP6 NaPa (Emerging Nanopatterning Methods) cuya meta es el desarrollo de nuevas técnicas de estampación nanométrica como puede ser el NIL, soft lithography, la litografía basada en MEMS, etc. Ambos proyectos han sido fuentes de motivaciones, capital para recursos y colaboradores que han contribuido notoriamente en la formación de esta Tesis. El primer objetivo de este trabajo fue el de establecer las bases de la tecnología de fabricación con polímeros en la Sala Blanca del CNM. El CNM siempre ha trabajado con tecnología de silicio pero, dado que los polímeros están demostrando ser una alternativa de bajo coste, era interesante (a nivel local) optimizar estos procesos. Por otra parte, existe un gran interés en modificar los polímeros fotoestructurables existentes, como la SU-8, añadiéndoles diferentes funcionalidades y superar así las actuales limitaciones de estos materiales con respecto a sus propiedades mecánicas, a su conductividad eléctrica, a mejorar su estabilidad en altas temperaturas, etc. Estos nuevos polímeros pueden representar en un futuro próximo las bases del avance de la tecnología de polímeros, tanto para aplicaciones académicas como industriales. Gracias a las colaboraciones establecidas en los proyectos europeos antes mencionados, se ha podido presentar en esta Tesis el procesado de algunos nuevos polímeros para algunas aplicaciones concretas. Por todos los motivos mencionados, esta Tesis es un compendio de diferentes dispositivos poliméricos, cada uno de ellos fabricado con procesos distintos, porque o bien los materiales o bien las técnicas no eran las mismas. Por esta razón, la Tesis se divide en 7 Capítulos: La introducción pretende repasar el estado del arte de las técnicas de fabricación con polímeros. Como esta Tesis está enfocada en el uso de polímeros fotoestructurables para la fabricación de dispositivos, el principal proceso es la UV lithography aunque otros métodos han sido desarrollados para alcanzar mayor resolución y mejores resultados. Las técnicas litográficas que pueden ser usadas con polímeros están brevemente descritas y también se introducen tres tipos diferentes de polímeros para dar un conocimiento básico de los conceptos más usados a lo largo de esta memoria. El Capítulo 2 presenta la fabricación de sondas de AFM poliméricas que pueden ser usadas en cualquier equipo de AFM comercial, demostrando así su campo de aplicación, su bajo coste de producción y su capacidad para ser comercializadas. Esta es la principal responsabilidad que el CNM tenía dentro del proyecto Novopoly. El Capítulo 3 es una extensión del capítulo anterior pero usando un nuevo material compuesto por nanopartículas y polímero. El nuevo material mejora algunas de las propiedades del polímero original y también se añaden propiedades que antes no tenía como puede ser la actuación magnética. En el Capítulo 4 se introduce otro nuevo polímero. En este caso, se demuestra que el material es capaz de proporcionar actuación optotérmica debido a que tiene un mayor coeficiente de expansión térmica que la versión no dopada. Además, dado que el material es negro, la actuación óptica en el visible es posible, lo que abre nuevas posibilidades comparado con el polímero estándar. Un modelo teórico y un estudio completo del comportamiento de esta actuación están detallados. El Capítulo 5 describe cómo definir estructuras de polímero usando el ink-jet printing y la soft-lithography. Estas dos técnicas han sido usadas para evitar la contaminación cruzada entre los depósitos de un previamente fabricado chip de microfluídica. Este capítulo es un claro ejemplo de la flexibilidad que ofrece la tecnología de polímero. Las técnicas de Scanning Probe Lithography (SPL), Litografía por Haz de Electrones (EBL) y la litografía UV se pueden combinar para imprimir en finas capas de polímeros tal y como se describe en el Capítulo 6. En este capítulo se incluyen los detalles del mecanismo de modificación local de polímeros usando en Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM). Finalmente, esta Tesis termina con las conclusiones que están resumidas en el Capítulo 7. En él se comentan los principales resultados de cada uno de los procesos de fabricación desarrollados en esta memoria. / This document summarizes the research work performed in order to obtain the Ph.D. degree in Electronic Engineering at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB). The work has been done at the National Centre for Microelectronics (Centro Nacional de Microelectrónica CNM), at the Institute of Microelectronics in Barcelona (IMB).CNM-IMB activities are divided into 6 different research areas covering a wide range of microelectronic devices: microsystems and silicon technology, chemical transducers, power devices and systems, biomedical applications, electronic circuits design and nanotechnology. The present work has been performed in the latter area. Most of the work has been performed in the frame of the FP6 European research project NOVOPOLY (Novel functional polymer materials for MEMS and NEMS applications) which aims to develop new functional materials for applications in the area of micro- and nano- systems technology (MEMS and NEMS). Also, a part of the thesis was performed within the frame of the FP6 European research project NaPa (Emerging Nanopatterning Methods) which aims the development of novel nanopatterning techniques as can be NIL, soft lithography, MEMS-based lithography, etc. Both projects have been source of funding, motivations and collaborators that have contributed notoriously to the development of this Thesis. The first objective of the project was to establish the basis for polymer fabrication technology in the CNM Clean Room. CNM has always been working on silicon technology but, provided that polymer technology is showing itself as a low-cost alternative, it was interesting (at a local level) to optimize these processes. On the other hand, there is a large interest in adding functionality to existing photostructurable polymers, like SU-8, and overcome the current limitations of these systems with respect to mechanical, electrical conductivity and high temperature stability properties. These novel polymers can represent in the near future a cornerstone in the development of polymer technology, with both academic and industrial applications. Taking profit of some collaborations established in the projects mentioned above, the processing of some novel polymers is also presented in this Thesis for a few targeted applications. Therefore, the Thesis is a compendium of different polymeric devices, each of them fabricated with a different process, because either the materials or the techniques were different; and the memory is divided in seven different chapters: The introduction, aims to review the state of the art of polymer fabrication techniques. As this Thesis is focused in the use of photostructurable polymers for the fabrication of devices, the main process is the UV lithography although others methods have been developed in order to achieve higher resolution and better performance. Lithographic techniques usable for polymers are briefly described and the three kinds of polymers used are introduced in order to give the basic knowledge and main concepts used through all the work. Chapter 2 presents the fabrication of usable polymeric AFM probes, demonstrating their field of application and low cost production and its feasibility to commercialization. This is the main activity that CNM had in Novopoly project. Chapter 3 is an extension of the previous chapter but using a new composite material. The new material overcomes some of the drawbacks properties of the original epoxy based resist and also adds functional properties as it can be magnetic actuation. In Chapter 4 another new composite is shown. In this case, optothermal actuation is demonstrated because this material has a higher thermal expansion coefficient than the undoped version. In addition, given the fact that the material is black, which means that optical actuation in the visible is possible, opening new possibilities compared with the standard polymer. A theoretical model and a fully study of the actuation behaviour is reported. Chapter 5 describes polymer structures definition by ink-jet printing and soft-lithography. These two techniques were used to avoid the cross contamination between dispensing holes of a previously fabricated microfluidic chip. This chapter is itself an example of how flexible polymer technology is.Scanning Probe Lithography (SPL), Electron-Beam Lithography (EBL) and UV lithography techniques have been combined to pattern thin layers of polymers as it is depicted in Chapter 6. This chapter includes details mechanism and operation of the local modification of polymers using an Atomic Force Microscope (AFM). Finally, this Thesis ends with the conclusions that are summarized in Chapter 7. The main results of each fabrication process developed are commented.

La sinterització de partícules d'Ag és una solució interessant com a material per "die-attach" pels mòduls de l'electrònica de potència, principalment per aplicacions d'alta temperatura, ja que ofereix les bones propietats de l'Ag (incloent el punt de fusió de 961 ºC) utilitzant una baixa temperatura de procés (< 300 ºC) . En aquest treball s'ha estudiat el procés per a la sinterització de partícules d'Ag i s’ha realitzat una anàlisi comparativa amb altres materials utilitzant cicles tèrmics. Primer, hem analitzat l'efecte dels principals paràmetres del procés de sinterització de la capa sinteritzada d'Ag amb l'objectiu d'obtenir informació per l'aplicació directa de pastes d'Ag en mòduls de potència, i així, comprendre els principals mecanismes que regulen les propietats d'aquest material. Aquesta tasca va requerir el desenvolupament de muntatges experimentals i eines específiques que van permetre establir les diferents condicions del procés. Els paràmetres de sinterització analitzats van ser: la pressió, temperatura, temps, mètode d’assecat de la pasta d'Ag i les condicions de la superfície del substrat. L'anàlisi basada en les microseccions FIB i els tests de "die-shear" van revelar que la densificació de la capa d'Ag i la seva adherència al substrat de Cu, milloren clarament amb major pressió i temperatura de sinterització, i que es veuen poc afectades pel temps de sinteritzat. Aquests fets evidenciaven que la perifèria del "die-attach" està fortament influenciada per l'ambient (aire) i que, en aquesta regió s’eliminen millor els components orgànics de la pasta d'Ag (durant l'etapa de secat) que en el centre. Aquest procés ha estat identificat com el més crític durant la sinterització i el mètode d’assecat sense el xip sobre la pasta, ha estat el que ha mostrat els millors resultats. Un resultat interessant de l'estudi és que, la pressió i la temperatura de sinterització es poden ajustar de forma complementària per obtenir una adhesió requerida (valor de "die-shear"). D'aquesta manera, el procés de sinterització es pot adaptar a diferents condicions de processat, com per exemple mostres compatibles amb altes pressions, però no amb altes temperatures o viceversa. També s'ha portat a terme una anàlisi comparativa del comportament termomecànic amb altres materials de "die-attach" (AuGe i PbSnAg) amb proves de cicles tèrmics severs (-65 ºC a 275 ºC) utilitzant vehicles de prova formats per varis xips (Si o SiC) i substrats (Cu sense metal·litzar i metal·litzats amb Ag i Au). Les mostres van ser ciclades (en un muntatge experimental desenvolupat específicament) i avaluades amb un protocol basat en el test de "die-shear" i inspeccions SAM, per a determinar els modes de fallada. La millor força de “die-shear” es va obtenir en tots els casos per a les partícules sinteritzades d'Ag, encara que la velocitat de degradació més alta va ser per a les mostres de plata sinteritzada assecades amb xip. En contrast, pel mètode d’assecat sense xip, el sinteritzat d'Ag mostra inclús millors resultats en el cicle tèrmic, que pels aliatges de soldadura. En quant al material semiconductor, els resultats dels cicles tèrmics mostren que la taxa de degradació és més ràpida per a les mostres amb SiC, que per a les elaborades amb Si, mentre que per al les soldadures (aliatges) el PbSnAg mostra millors resultats que l’AuGe. En aquest sentit es va realitzar un treball de simulació termomecànica per entendre els mecanismes de degradació durant el cicle tèrmic. Les simulacions van demostrar que els estressos normals més alts associats amb els canvis de temperatura es troben a la interfase "die-attach"/ substrat, amb els valors màxims a les cantonades del xip i a la seva perifèria. Aquests resultats expliquen qualitativament les imatges SAM que mostren patrons de delaminació concèntriques al "die-attach" i, a més a més, que els materials "més rígids" (amb major mòdul de Young, com SiC i AuGe) mostren taxes de degradació més ràpides. / La sinterización de partículas de Ag es una solución interesante como material para die-attach para los módulos de la electrónica de potencia principalmente en aplicaciones de alta temperatura, ya que ofrece las propiedades sobresalientes de la Ag (incluyendo punto de fusión de 961 ºC) usando una baja temperatura de proceso (< 300 ºC). En este trabajo se ha estudiado el proceso para la sinterización de partículas de Ag y se realizó un análisis comparativo con otros materiales utilizando ciclos térmicos. Primero, hemos analizado el efecto de los principales parámetros del proceso de sinterización de la capa sinterizada de Ag con el objetivo de obtener información para la aplicación directa de pastas de Ag en módulos de potencia, y además, comprender los principales mecanismos que regulan las propiedades de este material. Esta tarea requirió el desarrollo de montajes experimentales y herramientas específicas que permitieron establecer las diferentes condiciones del proceso. Los parámetros de sinterización analizados fueron la presión, temperatura, tiempo, método de secado de la pasta de Ag y las condiciones de la superficie del sustrato. El análisis basado en las microsecciones FIB y los test de die-shear revelaron que la densificación de la capa de Ag y su adherencia al sustrato de Cu mejora claramente con mayor presión y temperatura de sinterización, y que se ve poco afectado con el tiempo. En el centro de la capa de Ag, el nivel de densificación es menor que en la periferia, donde, además, aparece una fina capa de óxido de Cu. Estos hechos evidenciaron que la periferia del die-attach está fuertemente influenciada por el ambiente (aire) y que en esta región se eliminaron mejor que en el centro los componentes orgánicos de la pasta de Ag (durante la etapa de secado). Este proceso ha sido identificado como el más crítico durante la sinterización y el método de pre-secado sin el chip en la parte superior de la pasta, ha sido el que ha mostrado los mejores resultados. Un resultado interesante del estudio es que, la presión y la temperatura de sinterización se pueden ajustar de forma complementaria para obtener una adhesión requerida (valor de die-shear). De esta manera, el proceso de sinterización se puede adaptar a diferentes condiciones del ensamblado, tales como las muestras compatibles con altas presiones, pero no con altas temperaturas o viceversa. Se ha llevado a cabo un análisis comparativo del rendimiento termo-mecánico con otros materiales de die-attach (AuGe y PbSnAg) con pruebas de ciclos térmicos severos (-65 ºC a 275 ºC) utilizando vehículos de prueba formados por varios chips (Si o SiC) y sustratos (Cu sin metalizar y metalizados con Ag y Au). Las muestras fueron cicladas (en un montaje experimental desarrollado específicamente) y evaluados con un protocolo basado en test de die-shear e inspecciones SAM, para determinar los modos de fallo. La mejor fuerza se obtuvo en todos los casos para las partículas sinterizadas de Ag, aunque la tasa de degradación más alta fue para las muestras secadas con chip. En contraste, para el método de secado sin chip, el sinterizado de Ag muestra incluso mejores resultados en el ciclo térmico, que las aleaciones de soldadura. En cuanto a la material semiconductor, los resultados de los ciclos térmicos muestran que la tasa de degradación es más rápida para las muestras con SiC, que para las elaboradas con Si, mientras que para las soldaduras (aleaciones) el PbSnAg muestra mejores resultados que el Auge. En este sentido, se realizó un trabajo de simulación termo-mecánica para entender los mecanismos de degradación durante el ciclo térmico. Las simulaciones demostraron que los estreses normales más altos asociados con los cambios de temperatura se encuentran en la interfaz die-attach / sustrato, con los valores máximos en las esquinas del chip y su periferia. Estos resultados explican cualitativamente las imágenes SAM que muestran patrones de delaminación concéntricas en die-attach y además, que los materiales "más rígidos" (con mayor módulo de Young, como SiC y AuGe) muestran tasas de degradación más rápidas. / Sintering of Ag particles is an interesting solution as die-attach material for power electronics packaging in high temperature applications because it offers the outstanding properties of Ag (including a 961 ºC melting point) using low process temperature (< 300 ºC). In this work we have studied the processing methods for sintering Ag particles and we performed a comparative analysis with other die-attach materials based on thermal cycling. We have first analysed the effect of the main sintering process parameters on the final characteristics of the Ag die-attach layers with the aim at obtaining information for the direct application of Ag pastes in power assemblies, and for understanding the main mechanisms governing the properties of this material. This task required the development of specific set-ups and tools allowing the settling of different process conditions. The sintering parameters analysed were pressure, temperature, time, Ag paste drying method and substrate surface condition. The analysis based on FIB microsections and die-shear tests revealed that the densification of the Ag layer and its adherence to the Cu substrate clearly improve with higher sintering pressure and temperature, and is practically not affected with time. In the centre of the Ag layer, the level of densification is lower than in the periphery, where, in addition, a thin Cu oxide layer appears. Those facts evidenced that the die-attach periphery is strongly influenced by the surrounding ambient (air) and that in this region the organic components of the original paste are better eliminated than in the centre during the Ag paste drying step. This process has been identified as perhaps the most critical one during sintering and a drying method without the die on top of the paste has shown the best results. An interesting result of the study is that sintering pressure and temperature can be adjusted complementarily to obtain a given die-attach adhesion (die-shear value). In this way, the sintering process can be adapted to different assembly conditions such as, for example, samples compatible with high pressures but not with high temperatures or vice versa. A comparative analysis of the thermo-mechanical performances with other die-attach materials (AuGe, and PbSnAg) under harsh thermal cycling tests (-65 ºC to 275 ºC) has been carried out using test vehicles formed by several dice (Si or SiC) and Cu substrates (bare Cu, Ag and Au plated surface). The test vehicles were cycled in a specifically developed set-up and evaluated with an experimental protocol based on die-shear tests, failure mode determination and SAM inspection. The best initial die-shear strength was obtained in all cases for sintered Ag particles, contrasting with the highest degradation rate observed for this material dried with chip on top of the paste. In contrast, for the drying method without die, sintered Ag shows even better cycling results than the solder alloys. Concerning the semiconductor material, the thermal cycling results show that the degradation rate is faster for SiC- than for Si-based test vehicles, while concerning strictly the solder alloys PbSnAg shows better results than AuGe. In this sense, a thermo-mechanical simulation work was performed to understand the degradation mechanisms during thermal cycling. The simulations demonstrated that the higher normal stresses associated with temperature swings were located at the die-attach/substrate interface, with the maximum values in the corners of the die and its periphery. These results qualitatively explain the SAM images showing concentric die-attach delamination patterns and the fact that “stiffer” materials (with higher Young modulus, such as SiC and AuGe) show faster degradation rates.

La determinació de fluxos metabòlics constitueix una eina fonamental per a l'anàlisi quantitativa de la fisiologia cel·lular, ja que ens proporciona una mesura del grau d’implicació de les diverses vies en els processos metabòlics així com una visió general del comportament cel·lular. La quantificació exacta de la magnitud dels fluxos de cadascuna de les diferents vies “in vivo” és, per tant, un objectiu important de la fisiologia cel·lular i l'enginyeria metabòlica, especialment en el context de la biotecnologia industrial, l'objectiu principal de la qual és maximitzar la producció del compost d’interès, com ara la producció de compostos químics, biopolímers o d’altres compostos bioactius com ara les proteïnes. Aquest projecte de recerca s’ha dirigit a contribuir a una millor comprensió de la fisiologia del llevat metilotròfic Pichia pastoris sota l’estrès ocasionat per la producció de proteïnes recombinants. Concretament, aquesta tesi s'ha centrat en l'anàlisi sistemàtica del metabolisme cel·lular a nivell fluxomic i metabolòmic, i com aquests conjunts de dades de diferents nivells poden integrar-se i contribuir a la comprensió dels efectes de la càrrega metabòlica potencialment imposada per la secreció d'una proteïna recombinant i l’efecte del tipus de font de carboni utilitzat. En el Capítol 2, s’obtingué una descripció consistent de la composició principal de la biomassa de P. pastoris per a cada condició de cultiu realitzada en aquest estudi. Els resultats obtinguts han estat utilitzats en els capítols següents per realitzar l'anàlisi de fluxos metabòlics. En el Capítol 3, es realitzaren experiments amb marcatge 13C fraccional biosintèticament dirigit (BDF). Els experiments es realitzaren en cultius operats en continu de P. pastoris creixent amb barreges de glucosa/metanol com a font de carboni, per tal d’obtenir informació sobre les relacions entre fluxos de les principals vies metabòliques del metabolisme central d'aquest llevat. Es desenvoluparen noves equacions pel cas de la mescla de font de carboni mixta glucosa/metanol utilitzada. Seguidament, aquestes relacions foren utilitzades per dur a terme l'anàlisi de fluxos metabòlics de les diferents soques de P. pastoris secretores d'una lipasa recombinant (les quals tenien 1 i 2 còpies del gen que codifica la lipasa). La principal característica obtinguda, reflectida en els diferents quocients de fluxos metabòlics i les dades macroscòpiques dels cultius, fou la similitud en les estimacions finals de fluxos entre les dues soques productores de lipasa. No obstant, s’observaren diferències estadísticament significatives al comparar ambdues soques amb la soca control de referència (no productora). Durant el Capítol 4, seguint la mateixa metodologia comentada en el capítol anterior, s’estudià l’efecte de la taxa de dilució i diferents relacions de barreges glicerina/metanol com a font de carboni en cultius en continu de P. pastoris amb una única còpia del gen de la lipasa . Concretament, es realitzaren cultius a dues velocitats de dilució per tal d’avaluar l'impacte combinat de la composició de les diferents mescles de fonts de carboni i velocitat de creixement sobre la distribució de fluxos intracel·lulars. Les dades experimentals obtingudes en aquest estudi es combinaren amb dades de marcatge 13C obtingudes en experiments previs sota les mateixes condicions. No obstant, com a conseqüència de la utilització de glicerina en lloc de glucosa, no fou possible la utilització de les equacions de flux formulades en el capítol anterior. Per tant, com a solució alternativa, s’implementà una metodologia basada en l'avaluació global de la xarxa metabòlica per tal de calcular la distribució de fluxos. Curiosament, no s’observaren diferències estadísticament significatives en la distribució de fluxos quan es compararen els diferents cultius amb diferent relació de glicerina/metanol realitzats sota la mateixa taxa de dilució. D’altra banda, si que s’observaren clares diferències en el moment de comparar els patrons de flux corresponents a diferents taxes de dilució. Les diferents anàlisis metabolòmiques es descriuen en els Capítols 4 i 5. En el Capítol 5, s’aplicà una anàlisi metabolòmica juntament amb una distribució de fluxos en condicions isotopomèriques no estables (condicions de marcatge 13C en dinàmic) per a caracteritzar el metabolisme central de carboni de la soca de referència (control) de P. pastoris creixement amb glucosa/metanol com a font de carboni mixta. Una nova metodologia basada en les dades de marcatge obtingudes mitjançant GC-MS i LC-MS ens va permetre una quantificació més precisa dels diferents fluxos metabòlics per a les vies de les pentoses fosfat, la glucòlisi i la via d'assimilació del metanol. Posant com a referència els resultats obtinguts en el capítol 3, aquesta nova metodologia permeté determinar una distribució de fluxos més amplia i acurada. Així mateix, es realitzà una anàlisi termodinàmica de les dades de metabolòmica , la qual ens va permetre validar les concentracions de metabòlits mesurades i les direccions dels fluxos calculades. Finalment, en el Capítol 6, es realitzà una comparació fluxòmica i metabolòmica entre les diferents soques utilitzades en aquesta tesi, a més a més d'una altra soca amb més de 2 còpies del gen de la lipasa disponible en el Grup de recerca. Els resultats obtinguts no mostraren diferències estadísticament significatives entre les diferents soques productores en termes de distribució global dels fluxos. Ara bé, s'observaren diferències locals estadísticament significatives en alguns punts de la xarxa metabòlica. A més, l'anàlisi metabolòmica, revelà diferències clares entre la soca control i la productora, com ara la concentració de trehalosa, metabòlit estretament lligat a respostes d’estrès. En general, durant aquesta tesi s’ha portat a terme amb èxit la implementació de noves metodologies per a l'anàlisi dels fluxos metabòlics de P. pastoris. Aquestes metodologies han estat comparades i posteriorment validades. A més a més, utilitzant les diferents dades metabolòmiques obtingudes, ens ha permès expandir la xarxa metabòlica proposada durant els primer capítols d’aquesta tesi, ampliant així el coneixement sobre l’impacte de producció d’una proteïna recombinant sobre el metabolisme central del carboni de P. pastoris creixent sobre fonts de carboni mixtes. / Determination of metabolic fluxes constitutes a fundamental tool for quantitative analysis of cell physiology, as they provide a measure of the degree of engagement of various pathways in metabolic processes and overall cellular function. Accurate quantification of the magnitude of pathway fluxes in vivo is, therefore, an important goal of cell physiology and metabolic engineering, especially in the context of industrial biotechnology, where the aim is to convert as much substrate as possible into useful products such as chemicals, chemical building blocks, biopolymers or bioactive compounds such as proteins. This research project was aimed to contribute to the better understanding of the Pichia pastoris physiology under recombinant protein production stress. Specifically, this thesis was focused on the systematic analysis of cell metabolism at the fluxome and metabolome omics levels, and how datasets from these different levels can be integrated and contribute to the understanding of the impact of the potential burden imposed by the secretion of a recombinant protein and the type of mixed carbon source used. In Chapter 2, a consistent description of the biomass principal component of P. pastoris was obtained for each condition tested in this study, obtaining the best estimation of the biomass composition. The obtained results were afterwards used in the following chapters to perform the metabolic flux analysis. In Chapter 3, biosynthetically directed fractional 13C-labelling (BDF) experiments were performed in chemostat cultures of P. pastoris growing on a glucose/methanol mix, obtaining information about the principals metabolic flux ratios of the central carbon metabolism of this yeast. New equations were developed for the case of “glucose/methanol” as a mixed carbon source. Afterwards, these values were used to perform the metabolic flux analysis of two P. pastoris strains secreting different amounts of a recombinant lipase (corresponding to strains harbouring 1 and 2 copies of the lipase encoding gene). The most prominent feature obtained, already indicated by the metabolic flux ratios and the macroscopic data, was the similarity in flux estimations between the two lipase producing strains. Nevertheless, statistical differences were observed when comparing the control (non-producing) strain to the production strains. In Chapter 4, using the same experimental approach as in chapter 3, chemostat cultures of the P. pastoris strain harbouring one copy of the lipase gene growing on 3 different “glycerol/methanol” and 2 dilution rates were performed to evaluate the impact of carbon mix compositions and growth rate on the flux distribution. Experimental data was combined with existing 13C-labelling datasets obtained from previous BDF experiments performed on replica experiments. However, due to the use of glycerol instead of glucose, it was not possible to use the equations formulated in the previous chapter. Hence, an alternative approach based on the global evaluation of the metabolic network was done in order to calculate the final flux distribution. Interestingly, no statistical differences were observed when the experiments were done under a given dilution rate varying the glycerol-methanol concentrations. Nevertheless, clear differences were observed when comparing flux patterns corresponding to different dilutions rates. The metabolome analyses were performed in Chapters 4 and 5. In Chapter 5, metabolomic and instationary 13C flux analysis was applied to characterize the central carbon metabolism under “glucose/methanol” co-assimilating conditions, using the same reference control strain from Chapter 3. A new methodology based on GC-MS and LC-MS derived data allowed for an accurate mapping of metabolic fluxes for the glycolytic, pentose phosphate and methanol assimilation pathways. Compared with the results obtained in Chapter 3, more fluxes could be determined. Furthermore, using thermodynamic metabolic network analysis of metabolome data allowed validating metabolite measurements and metabolic flux directions. Finally in Chapter 6, a fluxome and metabolome comparison between the strains used in this thesis plus another strain harbouring five copies of the lipase gene was performed. The results showed no statistical differences between the tested strains in terms of global flux distribution, however we observe statistical differences in some fluxes of the metabolic network. Nevertheless, metabolome analysis, revealed some clear differences for example in the trehalose pool, as a result of the impact of protein secretion in the metabolite concentration pools. Overall, during this thesis we have succeeded in establishing new methodologies for the analysis of Pichia pastoris flows. These methodologies have been compared and validated. Moreover using the metabolomics data obtained has allowed us to expand the metabolic network proposed in the early chapters increasing the knowledge about the impact of a recombinant protein production using different carbon sources as a mixed substrates.

Es va gestionar l'operació d'un biofiltre percolador (BTF) durant un període total de 990 dies per a la dessulfuració d'un biogàs sintètic contenint 2,000 ppmv d’H2S (≈ 50 g S-H2S·m-3·h-1), utilitzant un material de rebliment aleatori (anelles Pall d'acer inoxidable). Després de l'optimització de l'operació a pH neutre, es va estudiar l'eliminació simultània de metilmercaptà (CH3SH) i H2S. A continuació es va executar la transició ininterrompuda des de 440 dies a pH neutre (6.0 – 6.5) a 550 dies a pH àcid (2.50 – 2.75). Paral·lelament es van desenvolupar eines per a la monitorització en línia d’H2S, sulfur dissolt total (TDS = H2S(aq) + HS- + S2-) i sulfat (SO42-), aplicant elèctrodes selectius d'ions (ISEs). Es va emprar un ISE de membrana cristal·lina en el sistema analític proposat, que consisteix en un analitzador per injecció de flux (FIA) per anàlisi de TDS integrat com a detector en un analitzador de flux continu amb una etapa prèvia de difusió de gas (GD-CFA) per l’anàlisi d’H2S, el qual es va mostrar idoni per a la monitorització en línia del BTF. Es va realitzar l'estudi preliminar de la determinació en línia de SO42- utilitzant un ISE de membrana líquida polimèrica, preparada amb un ionòfor comercial. No obstant això, es va obtenir baixa selectivitat per al SO42- en presència d'anions interferents, el que desaconsella l'aplicació dels elèctrodes construïts. Es van optimitzar paràmetres operacionals del BTF a pH neutre, com ara la taxa d'aeració, la velocitat de percolació (TLV) i el temps de residència hidràulica (HRT), obtenint una mínima producció de sofre elemental (S0). També es va estudiar la resposta del BTF enfront del temps de contacte del gas (EBRT) i de la càrrega aplicada (LR) d’H2S. La capacitat d'eliminació (EC) màxima va ser de 135 g S-H2S·m-3·h-1. Per a un EBRT de referència de 131 s, l'eficàcia d'eliminació (RE) va ser superior al 99%. Es va investigar l'eliminació simultània de CH3SH i H2S a pH neutre, a concentracions normalment trobades en biogàs (2,000 ppmv d’H2S i 10 – 75 ppmv de CH3SH). Les màximes EC trobades van ser de 1.8 g S-CH3SH·m-3·h-1 i 100 g S-H2S·m-3·h-1. La presència natural de CH3SH en el biogàs va ser considerada beneficiosa per l’efecte de descolmatació del llit produït pel consum de S0 per reacció química amb CH3SH. Finalment, es va caracteritzar l'operació a llarg termini del BTF sota condicions àcides de pH en funció del EBRT i la LR, obtenint una ECmax de 220 g S-H2S·m-3·h-1. Es va estudiar el perfil d'eliminació d’H2S i es va avaluar la velocitat d'oxidació del S0 acumulat dintre del llit durant episodis periòdics d'inanició. Els resultats indiquen que el primer terç del llit és responsable pel 70 – 80% del total eliminat d’H2S. L'oxidació de S0 a SO42- se suggereix com una estratègia de control contra la colmatació del llit per sofre. Tot i la important quantitat de S0 produït a pH àcid, la capacitat de dessulfuració global del BTF va ser comparable a l'obtinguda anteriorment a pH neutre. / The performance of an aerobic biotrickling filter (BTF) was assessed during a total period of 990 days on the desulfurization of a synthetic biogas containing 2,000 ppmv of H2S (≈50 g S-H2S·m-3·h-1), using a metallic random packing material (stainless steel Pall rings). After the optimization of the operation at neutral pH, the simultaneous removal of methylmercaptan (CH3SH) and H2S was studied. Afterwards, the uninterrupted transition from 440 days at neutral pH (6.0 – 6.5) to 550 days at acidic pH (2.50 – 2.75) was performed. In parallel, sensing tools for the on-line monitoring of H2S, total dissolved sulfide (TDS = H2S(aq) + HS- + S2-) and sulfate (SO42-) were developed applying ion-selective electrodes (ISEs). An ISE of crystalline membrane was used in the proposed analytical system, consisting in a flow injection analyzer (FIA) for TDS detection integrated as a detector into a continuous flow analyzer with a gas diffusion step (GD-CFA) for H2S detection, which was proven to be reliable for on-line monitoring of the BTF. The preliminary study on the on-line determination of SO42- was performed by an ISE of polymeric liquid membrane, prepared with a commercial ionophore. However, low selectivity to SO42- was found in the presence of interfering anions, discouraging the application of constructed electrodes. Operational parameters of the BTF were optimized under neutral pH, such as the aeration rate, the trickling liquid velocity (TLV) and the hydraulic residence time (HRT), achieving a minimum elemental sulfur (S0) production. Also, the behavior of the BTF was studied as a function of the empty bed residence time (EBRT) and the H2S loading rate (LR). A maximum elimination capacity (EC) of 135 g S-H2S·m-3·h-1 was found. Removal efficiency (RE) above 99% was obtained at the reference EBRT of 131 s. The simultaneous removal of CH3SH and H2S was investigated at neutral pH, for concentrations commonly found in biogas (2,000 ppmv of H2S and 10 – 75 ppmv of CH3SH). Maximum ECs were 1.8 g S-CH3SH·m-3·h-1 and 100 g S-H2S·m-3·h-1. The natural presence of CH3SH in biogas was considered beneficial because of the unclogging effect produced by the consumption of S0 by chemical reaction with CH3SH. Finally, the BTF long-term operation under acidic pH was characterized in terms of EBRT and LR, obtaining an ECmax of 220 g S-H2S·m-3·h-1. The H2S removal profile was assessed and the oxidation rate of S0 accumulated inside the filter bed was evaluated by periodical H2S starvation episodes. Results indicate that the first third of the filter bed is responsible for 70 to 80% of the total H2S removal. Oxidation of S0 to SO42- was suggested as a S-clogging control strategy under acidic conditions. Despite the important amount of S0 produced under acidic pH, overall BTF desulfurizing capacity was comparable to that obtained previously under neutral pH.

Uno de los descubrimientos más importantes de los últimos años en física de partículas ha sido el descubrimiento de la oscilación de neutrinos. Este descubrimiento ha motivado la creación varios experimentos para medir con alta precisión los parámetros de oscilación de los neutrinos. Para hacer estos experimentos de alta precisión es crucial tener un buen conocimiento de las interacciones de neutrino-nucleón, lo cual es la principal motivación del presente estudio. La medida de la sección eficaz de interacciones de neutrino en el régimen de energías de pocos GeV es complicada ya que en esta región las diferentes interacciones son tan parecidas que se superponen en los observables cinemáticos. En esta tesis se presenta la medida de la sección eficaz relativa de producción multi-piones respecto a la interacción cuasi-elástica en corrientes cargadas, obtenida a partir de los datos del experimento K2K. K2K es el primer experimento de oscilación de neutrinos muónicos a larga distancia donde tanto la producción como la detección de neutrinos se hacen en el laboratorio. La producción de neutrinos y el detector cercano se encuentran en Tsukuba (Japón) y a 250 Km, en Kamioka (Japón), se encuentra el detector lejano. Para la medida multi-piones se han utilizado los datos recogidos por SciBar y MRD en el detector cercano. SciBar es un detector formado por barras centelladoras con el que se reconstruye el paso de las partículas producidas por la interacción de neutrinos en su interior. MRD es un detector de muones que nos permite reconstruir los muones. Los neutrinos pueden interaccionar de diferentes formas con la materia. Si el neutrino interacciona con un neutrón produciendo un muón y un protón, la interacción se llama cuasi-elástica. Si en la interacción se produce un muón, un nucleón y dos o más piones, la interacción se llama de multi-pion. Ambas interacciones son de corrientes cargadas, ya que el neutrino muónico se convierte en un muón cargado en la interacción. Para el análisis solo se han seleccionado eventos con al menos un muón producido en el volumen fiducial de SciBar y que también sea detectado en MRD. A partir de estos eventos se han reconstruido seis observables para la identificación de multi-piones y cuasi-elásticos y se han combinado para crear sendas funciones de asimetría de verosimilitud. Estas funciones tiene la propiedad de asignar valores bajos a eventos cuasi-elásticos, tiende a dar valores altos a eventos multi-pion y valores intermedios a las otras interacciones. Comparando estas funciones en datos y Monte Carlo se han obtenido las secciones eficaces relativas de multi-piones respecto cuasi-elasticos para las regiones de energías de 0.5-2.5 GeV y 2.5-5.0 GeV. En la medida se han evaluado los posibles errores sistemáticos debido a imprecisiones en el flujo de neutrinos, en la simulación de efectos nucleares, en la respuesta del detector y en los procesos de reconstrucción. Como resultado se ha obtenido que la sección eficaz relativa de multi-piones respecto de cuasi-elasticos es 0.30 +- 0.07 (est.) +- 0.15 (sis.) para energías de neutrino comprendidas entre 0.5 y 2.5 GeV y 3.9 +- 0.6 (est.) + 1.4 - 1.2 (sis.) para energías de neutrino comprendidas entre 2.5 y 5.0 GeV. / One of the most important discoveries on last years in particle physics is the neutrino oscillation.This discovery triggered the development of new experiments to measure the neutrino oscillation parameters with better accuracy.For these high precision experiments it is crucial to have a good knowledge of neutrino-nucleus interactions, and this is the main motivation for the work here presented.The measurement of neutrino interaction cross sections on the few GeV regime is complicated since the neutrino interactions are so similar that kinematic observables overlaps.In this thesis the measurement of the relative Multi-pion neutrino interaction cross section with respect to the quasielastic interaction with charged currents is presented. This measurement has been made with K2K data from the SciBar detector.K2K is the first long-baseline neutrino oscillation experiment ever done with muon neutrino beam.On that kind of experiment, both the source and the detection of neutrinos are controlled in the lab.Production and detection of near neutrinos is made in Tsukuba (Japan) and 250 Km away seats the far detector, in Kamioka (Japan). For the multi-pion measurement, data from the SciBar and MRD near detectors has been used. SciBar is a detector made off scintillating bars that is able to reconstruct the track of particles produced on neutrino interactions inside the detector. MRD is a muon detector that allows us to reconstruct muon energy and angle.Neutrinos interacts with matter in different ways. When a neutrino interacts with a neutron producing a muon and a proton, the interaction is called quasielastic. When the interaction produces a muon and two or more pions, the interaction is called multi-pion. Both interactions are charged current interactions, since the neutrino becomes a charged particle in the interaction.Only the events with a muon detected in MRD and starting in SciBar fiducial volume has been used for the analysis. With these events, six observables has been reconstructed to identify multi-pions and quasielastic interactions. These observables has been combined to create a likelihood asymmetry function that has the property to assign low values to quasielastic events and tend to assign high values to multi-pion events. Other interactions get middle values.From the fit of the asymmetry function from Monte Carlo to data, the multi-pion relative cross section respect to quasielastics has been obtained for the neutrino energy regions 0.5 to 2.5 GeV and 2.5 to 5.0 GeV. Measurement systematic errors due to neutrino flux, nuclear effects simulation, event reconstruction and detector response uncertainties has been evaluated.The result of the multi-pion relative cross section respect to quasielastic interactions measurement is 0.30 +- 0.07 (sta.) +- 0.15 (sys.) for neutrino energies between 0.5 and 2.5 GeV and 3.9 +- 0.6 (sta.) + 1.4 - 1.2 (sys.) for neutrino energies between 2.5 and 5.0 GeV.