Aquest treball descriu el desenvolupament d'un sistema Smart Sensor per a acceleròmetres piezoresistius emprant la tecnologia de mòduls multixip de tipus D (MCM-D). En el camp dels Smarts Sensors existeixen dues aproximacions bàsiques: l'aproximació monolítica que integra el sensor i els circuits en el mateix xip, i la versió multixip, que integra de forma híbrida tant el sensor com els circuits, fabricats per separat. Les dues tecnologies emprades en aquest treball han estat, la dels acceleròmetres piezoresistius en oblies BESOI i la dels mòduls multixip, silici sobre silici, mitjançant la tècnica de muntatge flip-chip. Aquesta tècnica proporciona a l'encapsulat de sensors nivell d'integració més elevat, a la vegada que redueix els problemes termo-mecànics pel fet d'emprar un substrat de silici.En aquest estudi s'ha treballat en el desenvolupament d'aquest Smart Sensor per tal, principalment, d'aconseguir un encapsulat robust i lliure d'estrès. En aquest sentit, s'ha dut a terme el disseny d'una cavitat hermètica per a la protecció de les parts mòbils de l'acceleròmetre. L'hermeticitat s'obté mitjançant la pasta de soldadura que s'aplica en el mateix moment en que es fan les connexions elèctriques o solder bumps. Aquest fet ha requerit d'una modificació en la tecnologia de pads del sensor. Per altra banda, s'han dut a terme una sèrie de simulacions per elements finits per tal d'avaluar en les etapes de disseny l'estrès que podia aportar l'encapsulat a aquests dispositius sensibles a esforços mecànics. Els resultats de les simulacions demostren que si bé es dóna un cert grau d'estrès, aquest no arriba a perjudicar el comportament del sensor.Les caracteritzacions tant elèctriques com mecàniques realitzades a l'encapsulat multixip, demostren que aquest encapsulat no modifica els paràmetres elèctrics més importants, com ara la sensibilitat o la tensió d'offset. La caracterització dinàmica demostra, però, que l'encapsulat multixip afegeix un més elevat grau d'esmorteïment modificant així la resposta del sensor. Aquesta variació es tradueix en una disminució de la freqüència de ressonància i del guany del sensor a aquesta freqüència. Aquest fet, en aplicacions DC, és una característica apreciada doncs evita una eventual ruptura del sensor. / This work describes the development of a Smart Sensor system for piezoresistive accelerometers using Multi Chip Module type D (MCM-D) technology. There are two main approaches in the Smart Sensors field: The monolithic integration of the process circuitry with the sensor itself in the same chip, and the multichip approach, where both parts are independently fabricated and connected using hybrid integration. Two technologies have been used in the present work: CNM's piezoresistive accelerometers technology based on BESOI wafers and silicon-on-silicon multichip module technology, based on the flip-chip interconnection. This technique provides higher levels of integration for the packaging of sensors. In addition, the inclusion of a silicon substrate reduces thermo-mechanical problems.The development of the Smart Sensor has been mainly oriented to obtain a robust and unstressed package. In this sense, mobile parts of the accelerometer have been protected with an specifically designed hermetic cavity. This cavity is built using solder paste, and is defined simultaneously with the electrical connections or solder bumps. This point required modifications of the sensor's pad technology. Furthermore, finite element simulations have been performed in order to evaluate the package induced stresses on the sensor, which is extremely sensitive to mechanical efforts. The simulation results showed that even if small stress appear, they don't adversely affect the behaviour of the sensor. Electrical and mechanical characterisation of the multichip Smart Sensor, showed that the packaging process doesn't modify the main electrical parameters, such as sensitivity and off-set voltage. Vibration tests showed that multichip package increases mechanical damping, modifying the dynamic response of the sensor. In this sense, the resonance frequency and the gain of the sensor at this frequency decrease. This behaviour is useful for DC applications, preventing the failure of the sensor.

En la presente tesis se presenta una aplicación práctica del control predictivo sobre un invernadero real. Por esta razón se desarrolla un algoritmo de control predictivo MELPC, no lineal, multivariable, basado en la linealización en línea y que no requiere un gran esfuerzo computacional.La investigación se ha centrado en el comportamiento de este controlador tanto en rendimiento como en aspectos computacionales. Se ha incluido, además, el análisis de un amplio rango de problemas relacionados con el control de sistemas con restricciones, tales como: estabilidad, factibilidad, optimización, implementación y cálculo, e influencia de las perturbaciones. Este estudio se ha complementado con una comparación entre los diferentes algoritmos que usan la misma técnica de linealización on-line ELPC, EPSAC y también con los algoritmos de control predictivo lineal y no lineal.También se han expuesto una serie de experimentos en simulaciones para probar el MELPC, controlador elaborado en esta tesis. Los experimentos consisten en aplicar este controlador sobre una amplia gama de sistemas con dinámicas diferentes. Finalmente se ha aplicado este controlador sobre un invernadero real construido en el Institute for Horticultural and Agricultural Engineering ITG de la Universidad de Hannover (Alemania) para el control de las variables clim ticas en tiempo real.Se ha desarrollado un modelo de invernadero real similar a los sistemas de producción en la industria agrícola, considerando las variables de estado: temperatura interna, humedad interna y concentración de CO2.También se ha presentado el modelo de crecimiento del cultivo que es la lechuga porque es un modelo sencillo con pocas variables de estado y que son: el peso seco no-estructural y el peso seco estructural. / This work present a practical application of the predictive control on a real greenhouse. For this reason a predictive control algorithm MELPC is developed, This algorithm has the characteristics that is nonlinear, multivariable, based on the linearization and that does not require a great computational burden.He investigation has been centred in the behaviour of this controller as much in performance as in computational aspects. In addition, an analysis of an ample rank of problems related to the control of systems with restrictions is included, such as: stability, feasibility, optimisation, implementation and calculation, and influence of the disturbances.This study has been complemented with a comparison between the different algorithms that use the same technique of linealization online ELPC, EPSAC and also with the algorithms of linear and nonlinear predictive control.Also a series of experiments in simulations has been exposed to test the MELPC, controller elaborated in this thesis. The experiments consist of applying this controller on an ample range of systems with different dynamics.Finally this controller has been applied on a real greenhouse constructed in the Institute of Horticultural and Agricultural Engineering ITG of the University of Hannover (Germany) for the control of the climatic variables.A model of real greenhouse similar to the production systems in the agricultural industry has been developed, considering the state variables: internal temperature, internal humidity and CO2 concentration. Also a growth model of the culture is presented that is the lettuce.

El objetivo de esta tesis es el diseño y fabricación de una estructura de vidrio/silicio que permita la integración en un mismo chip de una matriz de sensores de gases y circuitería CMOS. Estas estructuras deben poseer una elevada robustez, alta temperatura de trabajo con un bajo consumo. La estructura está formada por una plataforma a alta temperatura aislada térmicamente (donde se integrará la matriz de sensores de gases) y la parte CMOS. En las plataformas de silicio micromecanizadas se integra una matriz de cuatro sensores de gases trabajando a la misma temperatura. Este tipo de configuración es interesante en aplicaciones donde diferentes materiales se depositan en la misma plataforma para mejorar la selectividad de los sensores a una concentración de gases. La electrónica incluye un bloque de control de temperatura en el área activa y un bloque de lectura de las señales de los sensores.Los principales puntos que se tratan en la tesis son: - Descripción de las estructuras de vidrio/silicio para la fabricación de un sensor de gases integrado monolíticamente con circuitería CMOS - Diseño y simulación: se han realizado una serie de simulaciones numéricas preliminares con el método de los elementos finitos (FEM) para optimizar el aislamiento térmico de las plataformas de silicio en función de la geometría del dispositivo, y de ese modo reducir el consumo de la estructura. - Análisis de la compatibilidad de la tecnología CMOS y de sensores de gases- Fabricación de los dispositivos:a. Micromecanizado del vidriob. Soldadura anódica vidrio/silicioc. Proceso de fabricación CMOS añadiendo los pasos y materiales necesarios para la incorporación de los elementos propios de sensores de gasesd. Deposito de materiales sensibles a gases Caracterización de los dispositivos: mecánica, térmica y eléctrica de la matriz de sensores de gases para analizar la fiabilidad de las estructuras. / The aim of the work is the design and fabrication of glass/silicon structure that allows to the on-chip integration of CMOS electronics and gas sensor array with high robustness, high operation temperatures and low power consumption. The structure is composed of a glass/silicon thermally isolated µ-hotplate, on which a sensor array is integrated, and a CMOS electronics part. Arrays of four semiconductor gas sensors (SnO2-based) working at the same temperature were placed on micromachined silicon platforms. These array configurations are of interest for applications on which different sensing materials are deposited on the same platform to improve the selectivity to a given set of gases. The electronics includes the necessary for accurate control of temperature and for resistive-based gas sensor transduction.The main points of this works are:- Description of glass/silicon structures for the fabrication of a CMOS monolithically integrated gas sensor array with electronics - Design and simulation: Preliminary numerical simulations made with the Finite Element Method (FEM) have been done in order to optimise the thermal isolation of the silicon platform and so to reduce the power consumption as a function of the geometry of the device.- Semiconductor gas sensor compatibility with CMOS technologiesFabricationa. Glass structuring technology b. Anodic bonding of thin glass columnsc. CMOS process fabrication with special materials and non-CMOS standard processing and post-processing sequencesd. Gas sensitive material deposition and patterning.Characterisation: Mechanical, thermal and electrical characterisation of the gas sensor arrays have been done for demonstrating the feasibility of the structure.

La caracterització dels dispositius semiconductors té un paper preponderant dintre la microelectrònica, sobretot en els dipositius semiconductors de potència, on la caracterització electrotèrmica és primordial. En moltes aplicacions de l'electrònica de potència, els fenòmens electrotèrmics prenen la mateixa rellevància que la resposta funcional o elèctrica dels mateixos. En tots ells, l'autoescalfament genera un increment de temperatura que modifica els seus paràmetres elèctrics nominals. En aquest marc de treball, s'ha desenvolupat un equip per la mesura de temperatura i densitat de portadors en dispositius de potència, fonamentat en la deflexió interna d'un feix làser infraroig (IIR-LD). La IIR-LD permet una caracterització complerta dels dispositius de potència, mesurant el gradient de temperatura i la concentració de portadors en l'interior del dispositiu.Aquesta tesis s'ha organitzat en dues parts en funció del contingut. La primera detalla els fonaments físics de la tècnica, l'equip experimental desenvolupat (capítol 2) i un procediment de calibració basat en un xip de test tèrmic (capítol 3). En canvi, en la segona es mostren les mesures realitzades sobre díodes de potència (capítol 4) i IGBTs (capítol 5). En ambdós capítols, es justifica la funcionalitat del sistema desenvolupat comparant dispositius amb un temps de vida localment alterat. Concretament, en el capítol 4 es compara la densitat de portadors mesurada en la regió de deriva de díodes irradiat i no irradiats. El capítol 5 conté les mesures realitzades en un PT-IGBTs irradiats i no irradiats amb una regió de deriva estreta, contrastant i analitzat el comportament tèrmic mesurat. / The characterisation of semiconductor devices has an important role in Microelectronics; especially in the case of power semiconductor devices, where the thermo-electrical characterisation is an essential aspect to study their behaviour. In several Power Electronics applications, electrothermal phenomena have the same relevance as functional and electrical response of such devices. In all of them, the internal self-heating generates an internal temperature rise, changing their nominal electrical parameters. In this framework, this PhD thesis covers the development of an experimental rig for temperature and free-carrier concentration measurement in power devices, based on internal IR-laser deflection (IIR-LD) technique. IIR-LD allows a complete characterisation of power devices, extracting from the device its temperature gradient and free-carrier concentration.This thesis is organized in two main parts. The first one details the physical insights of IIR-LD, developed equipment (chapter 2) and followed thermal calibration procedure based on a thermal test chip (chapter 3). By contrast, the second part reports measurements performed with the IIR-LD equipment on power diodes (chapter 4) and IGBTs (chapter 5). In both chapters, the difference in behaviour between unirradiated and irradiated devices is used to demonstrate the functionality of the developed apparatus. Concretely, chapter 4 compares the measured free-carrier concentration between unirradiated and irradiated power diodes, and chapter 5 shows measurements performed in a very thin region inside an irradiated and unirradiated PT-IGBT, where the thermal behaviour is also contrasted and analysed.

Aquesta tesi presenta l'aplicació d'una nova metodologia de prototipatge ràpid basada en plataformes per a subsistemes de comunicació, en concret, la part digital de la capa física del protocol sense fils HiperLAN/2.Les principals contribucions d'aquest treball de recerca són:- Formulació i validació d'una metodologia de disseny que transforma directament les especificacions a nivell de sistema a plataformes físiques, mantenint de forma intensiva la verificació heterogènia multinivell.- Exploració i implementació de noves arquitectures hardware per millorar algorismes complexos en la cadena HiperLAN/2, obtenint models sintetitzables per la capa física digital de l'emissor i receptor de l'HiperLAN/2.- Prototipatge de la part digital de la capa física de l'emissor HiperLAN/2 amb una tassa de transmissió de dades de 12MBits/s, en una plataforma adequada per a sistemes WLAN. El propòsit d'aquest prototipatge és demostrar l'alta productivitat de la metodologia que acaba implementant el disseny en plataformes físiques.Aquest treball s'estructura en quatre parts: conceptes fonamentals, metodologia de prototipatge ràpid, disseny de la capa física i prototipatge de l'emissor.Als conceptes fonamentals, es fa una introducció a la modulació OFDM explicant el model de senyal, propietats i avantatges d'aquesta modulació. A continuació, es presenta l'estàndard sense fils HiperLAN/2 que utilitza la modulació OFDM. En concret, es presenten els entorns de treball, la topologia, la capa física, la complexitat del model i tipus de ràfegues de l'estàndard HiperLAN/2. A la metodologia de prototipatge ràpid d'un sistema WLAN, es presenta la metodologia utilitzada pel prototipatge de l'emissor i receptor de la part digital de la capa física de l'HiperLAN/2. A continuació es fa una introducció al prototipatge ràpid, s'exposen els requeriments de les plataformes de prototipatge d'un sistema WLAN, es mostren l'estat de l'art d'entorns i plataformes per a sistemes WLAN i s'expliquen les arquitectures de les FPGAs de Virtex. A continuació, es presenta la metodologia WLAN amb els mètodes de sincronització i els fluxos de disseny que utilitza. En concret, es presenten dos fluxos de disseny diferents, un flux clàssic i l'altre més específic adaptats als sistemes WLAN, els quals ofereixen varies alternatives molt interessants de verificació heterogènia multinivell. Per acabar, es comenten els conceptes d'abstracció funcional, d'ortogonalitat i d'heterogeneïtat de la metodologia. Al disseny de la capa física de l'emissor i receptor es mostren en detall les seves estructures i els seus components computacionals. S'han proposat contribucions significatives pels mòduls de la IFFT/FFT, equalitzador de canal, sincronitzador, interleaver/deinterleaver i Viterbi. Els resultats de síntesis mostren la millora en comparació amb dissenys alternatius actuals. Els models obtinguts de l'emissor i del receptor mostren la seva funcionalitat i les seves prestacions a nivell de sistema. Al prototipatge de l'emissor, es descriuen el canvis aplicats al model de l'emissor per tal de fer el prototipatge en una plataforma específica. Al final, es presenten els resultats obtinguts a través de l'analitzador d'espectres i es fa una estimació del consum de potència de l'emissor que validen el mètode proposat. / This thesis presents the application of a new platform-based rapid prototyping methodology to the design of a communications subsystem, specifically the digital part of the physical layer of the HiperLAN/2 wireless protocol.The main contributions of this research work are: - Formulation and validation of a design methodology that directly transforms system level specifications to silicon platforms, while stressing heterogeneous multilevel verification.- Exploration and implementation of new hardware architectures to improve some complex algorithms in the HiperLAN/2 chain, obtaining synthesizable models for the digital part of the physical layer of HiperLAN/2 transmitter and receiver, which were validated in the hardware architecture. - Prototyping of the digital part of the physical layer of the HiperLAN/2 transmitter with a 12Mbits/s data transmission rate in a silicon platform, well-suited for WLAN systems. The aim of this prototype is to show the high productivity of the design methodology that ends into real platforms. This dissertation is structured in four parts: fundamental concepts, rapid prototyping methodology, design of the physical layer, and transmitter prototyping. The fundamental concepts part introduce OFDM modulation, and outlines the signal model as well as its advantages and disadvantages. Next, the standard wireless HiperLAN/2, that uses OFDM modulation, is presented. The working environment, network topology, physical layer, model complexity and burst types are discussed.The chapter on rapid prototyping methodology for a WLAN system describes the design methodology proposed to prototype the transmitter and receiver of the digital part of the physical layer of HiperLAN/2, starting from the WLAN system requirements that lead to the selection of specific prototyping platforms. Current HW implementation capabilities are presented through the architecture of Virtex FPGAs, used as core hardware device. Next, we detail the WLAN system design methodology with the design flow and synchronization methods used. Two design flows are presented, a more general flow and a specific one, adapted to WLAN systems. These design flows detail different powerful options of heterogeneous multilevel verification, that profit from modern concepts of functional abstraction, orthogonality and heterogeneity. The part about physical layer design of transmitter and receiver shows their structures and detail their computational components. Significant contributions have been proposed for IFFT/FFT, channel equalizer, synchronization, interleaver/deinterleaver and Viterbi modules. Synthesis results show their performance quality compared to current alternative designs. The overall results obtained from the transmitter and receiver models show also its global behavior and system level performance. Transmitter prototyping describes changes applied to the transmitter model in order to map it into the specific silicon platform. Out of this complete prototype we extracted data from the spectrum analyzer and of transmitter's power consumption that validate the proposed approach.

Recientemente se ha abierto un nuevo campo de investigación en el área del electromagnetismo aplicado y de la ingeniería de microondas basado en el control de las propiedades electromagnéticas de ciertas estructuras periódicas artificiales conocidas como metamateriales. Debido a que las celdas constitutivas de este tipo de estructuras presentan unas dimensiones muy reducidas en términos de longitud de onda es posible diseñar, en base a este concepto, dispositivos que combinen un gran nivel de compactación y elevadas prestaciones. En esta tesis se han utilizado las propiedades de dichos medios para la implementación de filtros de microondas en tecnología planar. Particularmente se han desarrollado técnicas de síntesis que permiten el diseño de filtros con características controlables, en términos de ancho de banda, rizado en la banda de paso, colocación de ceros de transmisión en la banda de rechazo, etc. En este documento se pueden encontrar varios ejemplos de aplicación de estas técnicas, dando lugar a varios prototipos con respuestas en varios rangos de frecuencia, que van desde respuestas de banda estrecha hasta respuestas ultra anchas. / In the last years, a new research field in the area of applied electromagnetism and microwave engineering based on the control of electromagnetic properties of artificial structures has taken a great interest. These structures are known as metamaterials. Due to the small dimensions of its constitutive cells it is possible to design, based on this concept, devices that combine high performance and compact dimensions. This thesis concerns the application of metamaterial technology to the synthesis of microwave filters in planar technology. In this document can be found a design methodology for each cell of the structure according to the desired frequency response of the filter (bandwidth, pass band ripple, location of transmission zeroes, etc). This methodology is also applicable to the design of filters with standard frequency responses (Chebyshev, Butterworth, etc). The theoretical work is also supported with experimental results of several prototypes with different bandwidths, from narrow band responses to ultra wide band filters.

Estructures ressonants en forma de biga (p.e. ponts o palanques) són molt interessants com a element transductor en sensors físics, químics i biològics basats en sistemes micro-/nanoelectromecànics (M-/NEMS) degut a la seva simplicitat, al gran rang de dominis que poden sensar, i a la seva extremada alta sensibilitat. Aquesta tesis està focalitzada en el disseny, fabricació i caracterització de CMOS-MEMS monolítics basats en bigues ressonants a escala sub-micromètrica per a la seva utilització en la detecció ultra sensible de massa amb un dispositiu portable. Els ressonadors operen en mode dinàmic on la massa es mesurada com un canvi de la seva freqüència de ressonància que és induïda electrostàticament i llegida d'una forma capacitiva mitjançant un circuit CMOS integrat monolíticament. Dues aproximacions tecnològiques diferents són considerades per tal de fabricar bigues ressonants a escala sub-micromètrica sobre xips CMOS prèviament processats, possibilitant una integració monolítica: (i) post processant els xips CMOS amb tècniques de nano fabricació per obtenir les estructures ressonants o (ii) definint els ressonadors al mateix temps que els circuits CMOS. Per les dues aproximacions, es presenten dispositius de metall i de polysilici amb sensibilitats de massa sense precedents (per a sensors CMOS monolítics) dins el rang dels atto-/zeptograms. Es presenta una comparativa dels resultats aconseguits mitjançant les dues aproximacions tecnològiques.Es dissenyen circuits de lectura CMOS d'alta sensibilitat per amplificar el corrent capacitiu amb guanys de transimpedància (utilitzant una tecnologia comercial CMOS 0.35-μm) de fins a 120 dBΩ a 10 MHz possibilitant la detecció del desplaçament del ressonador amb resolucions de fins a ~10 fm/√Hz semblants a les obtingudes pels millors sistemes de detecció òptics reportats i sense la necessitat d'un equipament complexa. Es presenta la caracterització elèctrica, a l'aire i al buit, de dispositius CMOS-MEMS fabricats que corroboren la capacitat de l'aproximació monolítica presentada per mesurar la característica freqüencial de ressonadors a escala sub-micromètrica. S'aconsegueix una transducció electrostàtica òptima i es mesuren respostes freqüencials elèctriques amb pics elevats (fins a 20 dB o més) i grans canvis de fase (fins a 160º) al voltant de la freqüència de ressonància. També es reporten mesures on s'observen efectes de softening/harderning de la constant de molla i d'histèresis produïts per les no linealitats així com la detecció del moviment Brownià intrínsec demostrant el bon matching de soroll entre el ressonador i el circuit de lectura. També es presenten els resultats de calibració, de mesures en temps real, i d'anàlisi de la resolució dels dispositius fabricats obtenint valors de fins a ~30 zg/√Hz (equivalent a ~6 pg/cm2√Hz) en condicions de buit que indiquen la millora respecte a treballs anteriors en termes de sensibilitat, resolució i procés de fabricació.Es presenta i es testeja un circuit oscil·lador Pierce CMOS adaptat per a treballar amb ressonadors de ~10 MHz i amb resistències mecàniques equivalents de fins a 100 MΩ demostrant que és factible la detecció d'attograms amb un dispositiu sensor completament portable. / Resonant beams structures are very attractive transducers for physical, chemical and biological sensors based on micro-/nanoelectromechanical systems (M-/NEMS) due to its simplicity, wide range of sensing domains, and extremely high sensitivity. This Ph.D. thesis is focused on the design, fabrication and characterization of monolithic CMOS-MEMS based on sub-micrometer scale resonant beams for its application in ultrasensitive mass detection with a portable device. The resonators operate in dynamic mode where the mass is measured as a change of its resonant frequency which is electrostatically induced and capacitive readout by means of a monolithically integrated CMOS circuitry. Two different technological approaches are considered to fabricate sub-micrometer scale resonant beams on pre-processed CMOS chips allowing a monolithic integration: (i) nano post-processing of the CMOS chip to obtain the resonant beams or (ii) definition of the resonant beams at the same time that the CMOS circuits. From both approaches, metal and polysilicon devices exhibiting unprecedented mass sensitivities (for monolithic CMOS sensors) in the atto-/zeptogram range are reported. Comparison of the results following both approaches is given.High-sensitivity readout CMOS circuits are specifically designed to amplify the capacitive current with transimpedance gains (using a commercial 0.35-μm CMOS technology) up to 120 dBΩ at 10 MHz allowing to detect the resonator displacement with resolutions up to ~10 fm/√Hz which are similar than the best reported optical readout systems without the need of a bulky setup.Electrical characterization, in air and in vacuum conditions, of fabricated CMOS-MEMS devices is presented corroborating the ability of the presented monolithic approach in measuring the frequency characteristics of sub-micrometer scale beam resonators. Optimal electrostatic transduction is achieved measuring electrical frequency responses with high peaks (up to 20 dB or more) and large phase shifts (up to 160º) around the resonance frequency. Measurements showing soft/hard-spring effect and hysteretic performance due to nonlinearities are also reported as well as the detection of intrinsic Brownian motion demonstrating the noise-matching between the resonator and the readout circuit. Results from calibration, real time mass measurements, and resolution analysis on fabricated devices obtaining values down to ~30 zg/√Hz (equivalent to ~6 pg/cm2√Hz) in vacuum conditions are also reported indicating the improvement from previous works in terms of sensitivity, resolution, and fabrication process.A specific CMOS Pierce oscillator circuit adapted to work with ~10 MHz beam resonators showing motional resistance up to 100 MΩ is presented and tested demonstrating the feasible attogram detection with a completely portable sensor device.

Recientes descubrimientos han hecho posible la creación de un nuevo tipo de materiales: los metamateriales. En sólo algunos años, el desarrollo de esta nueva rama científica ha dado lugar a numerosos descubrimientos y avances tecnológicos basados en las nuevas propiedades que exhiben estos nuevos materiales. Esta tesis recoge parte del trabajo desarrollado durante los últimos años por el grupo GEMMA y CIMITEC en la aplicación de líneas de transmisión de tipo resonante en el desarrollo de dispositivos de microondas. Su pequeño tamaño y la controlabilidad de sus propiedades eléctricas son las principales propiedades de las líneas metamaterial basadas en resonadores concentrados que posibilitan su empleo en el diseño de dispositivos de microondas de pequeñas dimensiones. Estos dispositivos son de interés especialmente en aquellas aplicaciones en las que un reducido tamaño es un requerimiento importante. No obstante, además de su reducido tamaño, dichos dispositivos pueden ofrecer mejoras en su respuesta y e incluso nuevas funcionalidades. El documento ha sido escrito como compendio de 13 artículos. Dichos artículos contienen gran parte de los resultados desarrollados durante la realización de esta tesis y se detallan en una lista más adelante. El documento se ha dividido en varias secciones dedicadas a diferentes aspectos: -En el segundo capítulo se presenta una breve introducción sobre metamaterials y materiales zurdos, incluyendo sus propiedades y sus elementos constitutivos. Se dedica una especial atención a la aplicación de dichos conceptos a estructuras planares y la síntesis de líneas de transmisión metamaterial. -El tercer capítulo trata sobre la implementación de líneas de transmission metamaterial mediante el modelo resonante, que es el empleado en este trabajo. Se presentan y estudian diferentes tipos de líneas de transmission metamaterial, con especial énfasis en las estructuras empleadas en las aplicaciones presentadas en el capítulo 4. -El cuarto capítulo se dedica a las aplicaciones de las estructuras ya presentadas al diseño de components concretos, incluyendo diferentes tipos de divisors de potencia, filtros de banda ancha y estrecha y estructuras reconfigurables basadas en materiales ferroeléctricos. -Por ultimo, el quinto capítulo incluye las conclusions y posibles futuros objetivos. ARTÍCULOS: Debido a la normative, los artículos marcados con un asterisco (*) no pueden ser considerados como parte fundamental de esta tesis, bien por ser artículos presentados a conferencias especializadas en lugar de revistas de investigación, o pore star pendientes de publicación en el momento del depósito de esta tesis. -Article A: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "On the transmission properties of left handed microstrip lines implemented by complementary split rings resonators", Int. Journal Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields, vol. 19, pp 87-103, 2006. -Article B: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "Miniaturization of planar microwave circuits by using resonant-type left handed transmission lines", IET Microwave Antennas and Propagation, Vol.1, pp. 73-79, 2007. -Article C: M. Gil, I. Gil, J. Bonache, J. García-García and F. Martín, "Metamaterial transmission lines with extreme impedance values", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 48, pp. 2499-2505, 2006. -Article D*: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "Artificial Left¬handed Transmission Lines for Small Size Microwave Components: Application to Power Dividers", presented at 36th European Microwave Conference (EuMC), Manchester (UK), pp. 1135-1138, 2006. -Article E: M. Gil, J. Bonache, J. Selga, J. García-García, F. Martín, "Broadband resonant type metamaterial transmission lines ", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, pp. 97-99, 2007. -Article F: M. Gil, J. Bonache, J. García-García, J. Martel and F. Martín, "Composite Right/Left-Handed Metamaterial Transmission Lines Based on Complementary Split-Rings Resonators and Their Applications to Very Wideband and Compact Filter Design", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 55, No. 6, pp. 1296-1304, 2007. -Article G: M. Gil, J. Bonache, F. Martín, "Metamaterial Filters with Attenuation Poles in the Pass Band for Ultra Wide Band Applications", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 49, Issue 12, pp 2909-2913, 2007. -Article H : M. Gil, J. Bonache, J. García-García and F. Martín, "New Left Handed Microstrip Lines With Complementary Split Rings Resonators (CSRRs) Etched in the Signal Strip", IEEE MTT-S Int'l Microwave Symposium Digest, Honolulu (HA), USA, pp. 1419-1422, 2007. -Article I: M. Gil, J. Bonache and F. Martín, "Synthesis and applications of new left handed microstrip lines with complementary split-ring resonators etched on the signal strip", IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 2, Issue 4, pp. 324-330, 2008. -Article J: J. Bonache, M. Gil, O. García-Abad and F. Martín, "Parametric analysis of microstrip lines loaded with complementary split ring resonators", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 50 , Issue 8, pp. 2093-2096, 2008. -Article K*: M. Gil, J. Bonache, F. Martín. "Ultra Compact Band Pass Filters Implemented Through Complementary Spiral Resonators (CSRs)", IEEE MTT-S Int'l Microwave Symposium Digest, Atlanta, USA, pp.323-326, 2008. -Article L: M. Gil, J. Bonache, and F. Martín, "Metamaterial filters: A review", Metamaterials, vol. 2, pp. 186-197, 2008. -Article M*: M. Gil, C. Damm, A. Giere, M. Sazegar, J. Bonache, R. Jakoby, F. Martín. "Electrically Tunable SRRs at Microwave frequencies based on BST thick films". Electronic Letters (submitted). / Recent advances have made possible the emergence of a new kind of materials: Metamaterials. In just some years, the development of this new scientific branch has given rise to numerous discoveries and technological advances based on the new properties shown by these novel materials. The present Thesis gathers a part of the work developed during the last years in the Group GEMMA and CIMITEC in the application of resonant-type metamaterial transmission lines to the development of microwave devices. The small size and the controllability of the electrical characteristics of metamaterial transmission lines based on sub-wavelength resonators are the main properties that make possible their use in the synthesis of microwave devices with compact dimensions and exceptional features. Microwave components based on metamaterial transmission lines are, therefore, of special interest in those applications in which compactness is a critical aspect. However, besides their small size, such devices can also offer a performance improvement or even new functionalities. This document has been written as a compendium of 13 articles. The articles contain most of the results of the work developed during the realisation of this Thesis and are included in a complete list given below. The document has been divided in several sections devoted to different aspects: -The second chapter presents a brief introduction about Metamaterials and left-handed materials, including their properties and constituent elements. Special attention is paid to the application of such concepts to planar structures and the synthesis of metamaterial transmission lines. -The third chapter delves into the implementation of metamaterial transmission lines by means of the resonant approach, which is applied in this work. Different kinds of resonant-type metamaterial transmission lines are presented and studied, with special emphasis on those structures which have been employed in the devices presented in chapter 4. -The fourth chapter is devoted to the applications of the previously studied structures to the design of specific components, including different kinds of power dividers, narrow- and broad-band filters and reconfigurable structures based on ferroelectric materials. -Finally, the fifth chapter includes some conclusions and possible next goals are exposed. ARTICLES: Due to regulation reasons, the articles marked with * cannot be considered as a basic part of this Thesis, either for being Conference, but not Journal Articles, or for being pending acceptance by the time of the Thesis submission. -Article A: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "On the transmission properties of left handed microstrip lines implemented by complementary split rings resonators", Int. Journal Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields, vol. 19, pp 87-103, 2006. -Article B: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "Miniaturization of planar microwave circuits by using resonant-type left handed transmission lines", IET Microwave Antennas and Propagation, Vol.1, pp. 73-79, 2007. -Article C: M. Gil, I. Gil, J. Bonache, J. García-García and F. Martín, "Metamaterial transmission lines with extreme impedance values", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 48, pp. 2499-2505, 2006. -Article D*: M. Gil, J. Bonache, I. Gil, J. García-García and F. Martín, "Artificial Left¬handed Transmission Lines for Small Size Microwave Components: Application to Power Dividers", presented at 36th European Microwave Conference (EuMC), Manchester (UK), pp. 1135-1138, 2006. -Article E: M. Gil, J. Bonache, J. Selga, J. García-García, F. Martín, "Broadband resonant type metamaterial transmission lines ", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, pp. 97-99, 2007. -Article F: M. Gil, J. Bonache, J. García-García, J. Martel and F. Martín, "Composite Right/Left-Handed Metamaterial Transmission Lines Based on Complementary Split-Rings Resonators and Their Applications to Very Wideband and Compact Filter Design", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 55, No. 6, pp. 1296-1304, 2007. -Article G: M. Gil, J. Bonache, F. Martín, "Metamaterial Filters with Attenuation Poles in the Pass Band for Ultra Wide Band Applications", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 49, Issue 12, pp 2909-2913, 2007. -Article H : M. Gil, J. Bonache, J. García-García and F. Martín, "New Left Handed Microstrip Lines With Complementary Split Rings Resonators (CSRRs) Etched in the Signal Strip", IEEE MTT-S Int'l Microwave Symposium Digest, Honolulu (HA), USA, pp. 1419-1422, 2007. -Article I: M. Gil, J. Bonache and F. Martín, "Synthesis and applications of new left handed microstrip lines with complementary split-ring resonators etched on the signal strip", IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 2, Issue 4, pp. 324-330, 2008. -Article J: J. Bonache, M. Gil, O. García-Abad and F. Martín, "Parametric analysis of microstrip lines loaded with complementary split ring resonators", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 50 , Issue 8, pp. 2093-2096, 2008. -Article K*: M. Gil, J. Bonache, F. Martín. "Ultra Compact Band Pass Filters Implemented Through Complementary Spiral Resonators (CSRs)", IEEE MTT-S Int'l Microwave Symposium Digest, Atlanta, USA, pp.323-326, 2008. -Article L: M. Gil, J. Bonache, and F. Martín, "Metamaterial filters: A review", Metamaterials, vol. 2, pp. 186-197, 2008. -Article M*: M. Gil, C. Damm, A. Giere, M. Sazegar, J. Bonache, R. Jakoby, F. Martín. "Electrically Tunable SRRs at Microwave frequencies based on BST thick films". Electronic Letters (submitted).

Al comienzo delsiglo XXI ha surgido un nuevo campo de investigación en el area del electromagnetismo aplicado y de la ingenierıa de microondas, basado en el control de las propiedades electromagnéticas de estructuras artificiales, conocidas como metamateriales. Este nuevo concepto de metamaterial agrupa diversas estructuras que suelen ser periódicas. En el caso de los cristales electromagnéticos, abarca a los medios en el que el periodo de la estructura es comparable a la longitud de onda de la radiación que se propaga por dicho medio. Para los medios efectivos, las celdas que forman el medio tienen un tamaño mucho menor que la longitud de onda a la frecuencia de operación y de esta forma la señal ve dicho medio como un continuo, sin diferenciar las partes individuales que forman dicho medio. Con este concepto de medio efectivo podemos combinar diferentes estructuras que en conjunto muestren características electromagnéticas inexistentes en la naturaleza, y cuyas propiedades son diferentes a las que tendrían por separado. Este tipo de medio puede estar formado por elementos resonantes cuyas dimensiones son inferiores a la longitud de onda a su frecuencia de resonancia, por lo que se les llama resonadores eléctricamente pequeñoos, lo que nos permite diseñar celdas de reducidas dimensiones en términos de longitud de onda. Debido a que el tamaño de la celda unidad que forma el medio vendrá determinado por el tamaño de los elementos que la componen, reducir el tamaño de estos elementos implica una reducción en el tamaño de la estructura completa. El objetivo principal de esta tesis será la obtención de nuevos resonadores eléctricamente pequeños cuyas dimensiones sean menores a las de los ya existentes, su utilización en líneas de transmisión planares, la caracterización tanto de los resonadores como de las líneas donde se utilicen y su aplicación en el diseño de circuitos de microondas planares de reducidas dimensiones. La finalidad de esto es la miniaturización de circuitos de microondas utilizados en sistemas de comunicación, sin reducir prestaciones e incluso mejorándolas.

El objetivo principal de esta tesis es obtener un conjunto de implementaciones de un sistema especificado en alto nivel y bajarlo a diferentes plataformas arquitectónicas. Esto ha permitido realizar una comparación justa que incluye la cadena de diseño, metodología hacia las diversas plataformas de silicio. Esta comparación usa cuatro variables para su evaluación (el tiempo de ejecución, el área del chip, el consumo de energía y el tiempo de diseño) y produce un mapa de puntos de las diferentes implementaciones óptimas de acuerdo con un conjunto de requerimientos de operación. Se ha construido un completo IP un compresor MPEG-4 Main Profile. Este estándar de video codificación es un buen ejemplo de referencia, bastante popular en la literatura científica y es también un ejemplo adecuado de aplicación basada en flujo de datos. Por tanto, los resultados extraídos de esta tesis pueden ser extendidos a otras aplicaciones basadas en IPs con tratamiento de flujo de datos. He considerado necesario la computación de imágenes con restricciones de tiempo real. Y por tanto, se deseaba disponer del diseño más flexible posible para poder mapear las mismas especificaciones en las diferentes plataformas. Para este propósito, se ha elegido SystemC/C++ como lenguaje de descripción del sistema e idear los diferentes flujos de implementación para las diferentes arquitecturas y plataformas de silicio. Este poderoso marco de trabajo permite comparar implementaciones de una forma objetiva y razonada. Ya que nuestros resultados vienen de un αnico modelo y los diseños fueron mapeados en la misma tecnología de silicio (90nm CMOS). El resultado de este trabajo de investigación es un juego de criterios y un mapa de las soluciones disponibles sobre el espacio de funcionamiento más bien que una aserción que dice que una solución αnica es mejor que las otras. Mi intención ha sido desarrollar técnicas y formular los métodos que pueden permitir aumentar la productividad en el diseño. Este desarrollo puede ser extendido al nuevo paradigma de intercomunicación: Aquellos que usan técnicas DVFS y basadas en NoC para exploraciones e implementaciones MPSoC. Consideramos la contribución mas significativa es el desarrollo del modelo con el cual se han realizado los diversos experimentos: El compresor MPEG que se ha realizado en SystemC/C++. Se ha realizado de la forma que implementaciones mαltiples son posibles: que van desde una parte grande en HW hasta la que se carga en un VLIW. En el caso de la FPGA y el ASIC, se han realizado dos implementaciones. Hemos obtenido un conjunto de resultados para siete diferentes implementaciones con cuatro diferentes objetivos HW (FPGA, ASIC, DSP y ASIP) con diferentes arquitecturas internas, seleccionadas para obtener puntos óptimos. Esto nos da que un incremento en eficiencia del 56 % para velocidad versus 26 % en energía en la solución FSME (20% para velocidad y 57 % para energía en la solución FAST). En el caso de los ISPs, las mejoras en el código se han realizado de forma que se obtienen implementaciones mejores que las que se conseguirían con una implementación directa del código no solo mejoras en el código sino mejoras en las microarquitecturas de silicio que forman el VLIW en el caso del ASIP. Otra contribución ha sido la realización de una NoC a nivel funcional en SystemC. / The main goal of this thesis is to obtain a set of results for the implementation of a given system level application down to different architectural platforms. This allowed carrying out a fair comparison that includes to build the whole system and to complete the design chain to the diverse silicon targets. This comparison uses four variables for its evaluation (execution time, chip area, energy consumption and design time) and produces a map of different optimal implementation points according to a given set or operating requirements. I built a complete MPEG-4 MP. This standard is a well known reference example, pretty popular in the scientific literature and this compressor is also a fine example of data-flow application. Therefore, results extracted from this thesis can be extended to other data-flow applications. I considered necessary to compute image compression with real-time constraints. Hence, I would like to dispose of the most flexible design possible in order to map the same specification into the different platforms. For that purpose, I chose SystemC/C++ as description system level language and setup the different implementation flows for the different architectural and silicon platforms. This powerful framework allows comparing implementations in a reasonably objective way. Since our results come from a unique reference model and all designs were finally mapped in the same silicon technology (90nm CMOS). The result of this research work is a set of criteria and a map of the available solutions on the performance space rather than an assertion saying that a unique solution is better than others. My intention has been to develop techniques and formulate methods that increased design productivity. This development can be further applied to the new parading of implementations: those that use DVFS techniques and NoC-based MPSoc implementation explorations. We consider the most important contribution is the development of the model able to achieve the different experiments: the MPEG compressor that has been realized in SystemC/C ++. It is designed in a way that multiple implementations are possible, ranging from a large part in HW up to loaded in an accelerator as a VLIW. In case of the FPGA and ASIC, two implementations have been carried out. We obtained a set of values for seven different implementations targeting four different HW platforms (FPGA, ASIC, DSP and ASIP) with diverse internal architectures, selected to get optimal points. In the case of ASIC, we managed to end up with the layouts of the two solutions. This led to an increase in efficiency of 56 % for speed versus 26 % for energy (in FSME solution 20% for speed and 57% for energy in FAST solution). In case of the ISPs, code improvements have been accomplished to come up to more ideal solutions with regard to those who would be obtained by a direct implementation. In case of the ASIP the improvements have not only been realized in the code but also in the silicon micro architecture that form the VLIW. Other contribution is the accomplishment of a functional NoC in SystemC.