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.

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.

In the Electromagnetic Compatibility research area, an unsolved interference problem is the measurement and evaluation of the distortion produced by radiated transient disturbances on digital communication systems. This impulsive noise, which is generated by switching devices or by sparks, is a broadband interference that covers the spectrum from DC to several hundreds of megahertz or some gigahertz. Additionally, this man-made noise is characterized by its short and random burst parameters, which make really challenging to measure it correctly. During the thesis, we have explained that impulsive noise is not properly measured and evaluated to prevent interference scenarios, when the EMC standard methodologies are applied. Detectors, such as the quasi-peak, frequency sweep measurements or signal-to-noise limiting evaluation described in the harmonized standards of the electromagnetic compatibility do not enable to determine beforehand the influence of transient interferences. Our strategy to overcome the non-profit measurement has been to perform novel measurement and evaluation techniques beyond EMC standards. The measurement technique developed joins the capabilities of EMI receivers and oscilloscope instrumentations to capture accurately the radiated transient interference. To carry out the measurement, the input stage of the EMI receiver is used for filtering and pre-amplifying purposes, conducting the IF output towards the oscilloscope, which is used for triggering and storage. Furthermore, a final post-processing stage is needed to obtain in time-domain the in-phase and quadrature components of the transient interference. Once the radiated transient interference has been measured properly, an accurate evaluation of the distortion produced to a digital communication system can be estimated. To evaluate the impact of the transient interference, a combination of the time-domain measurement with base-band simulation has been proposed to fulfil the thesis goal. The IQ time-domain measurement enables us to characterize the impulsive-noise present at the communication channel and determine the distortion produced to the digital communication system by means of base-band simulation. The procedure to determine the BER using the base-band simulation has been validated with experimental results, comparing the results reached with the developed methodology with the ones obtained when a communication system device is placed under radiated transient. Excellent results have been obtained employing the developed methodology, considering the interference produced by radiated transient to RFID or GSM communication systems Additionally, a new measurement methodology to obtain the amplitude probability diagram (APD) has been developed, offering the possibility to determine the bit-error-rate including limit lines at the APD diagram. This measurement method, based on captures obtained from a general purpose oscilloscope, makes it possible to obtain the APD measurement at any frequency band with the same accuracy provided by an EMI receiver. Furthermore, the post-processing tools using mathematical software produce the APD results rapidly at any bandwidth, and this makes it more powerful than employing an EMI receiver. The successful APD measurement system created is able to obtain the full-spectrum statistical measurement, employing several time-domain captures which can be acquired in practice immediately. In the final chapter of this thesis, the GSM system is interfered by radiated transients produced by sparks. The results provided by the APD diagram including the limit dots have been especially useful due to its fast capacity to interpret and quantify the degradation produced to the GSM system. / En el camp de recerca de la compatibilitat electromagnètica, una de les problemàtiques no resoltes és la mesura i avaluació de les interferències produïdes per transitoris radiats sobre els equips de comunicació digitals. Aquest tipus de soroll impulsiu, que es genera per la commutació d' equips electrònics o guspires, és una interferència de banda ampla que ocupa l' espectre radioelèctric fins a diversos centenars de megahertz o algun gigahertz. A més, aquest soroll es caracteritza per la seva curta durada i l'aleatorietat dels seus paràmetres, i això fa que sigui molt complicat mesurar correctament la interferència. Al llarg de la tesi, hem explicat que el soroll impulsiu no es mesura ni s'avalua adequadament per evitar escenaris d'interferències si s'utilitzen les metodologies definides als estàndards d' EMC. Els detectors, com el de quasi-pic, l'escombratge en freqüència o l'avaluació basada en els límits relacionats amb la relació senyal a soroll no són vàlids per anticipar la influència de les interferències transitòries. La nostra estratègia per solucionar els problemes de les mesures normatives ha estat desenvolupar noves tècniques de mesura i avaluació fora dels estàndards d'EMC. La tècnica de mesura desenvolupada combina les capacitats dels receptors EMI i els oscil·loscopis per capturar la interferència transitòria radiada. Per realitzar les mesures, l'etapa d'entrada del receptor EMI s¿utilitza amb la finalitat de filtrar i preamplificar, enviant la sortida IF cap a l'oscil·loscopi, que es fa servir per detectar i emmagatzemar els transitoris. Per últim, en l'etapa de postprocessament, s'obtenen en el domini del temps els components en fase i en quadratura de la interferència transitòria. Una vegada s'ha mesurat adequadament la interferència radiada, es pot estimar correctament la distorsió produïda sobre els sistemes de comunicació digitals. Per avaluar l'impacte de la interferència transitòria i així complir amb l'objectiu de la tesi, s'ha proposat combinar les mesures en el domini del temps amb la simulació en banda base. La mesura IQ en el domini del temps ens permet caracteritzar el soroll impulsiu present al canal de comunicació i així determinar la distorsió produïda al sistema de comunicació digital mitjançant la simulació en banda base. El procediment per determinar el BER fent servir la simulació en banda base ha estat validat amb resultats experimentals, i s'han comparat els resultats obtinguts utilitzant la metodologia desenvolupada amb els resultats proporcionats directament col·locant un dispositiu sota la influència de transitoris radiats. Els excel¿lents resultats obtinguts considerant interferències produïdes sobre sistemes RFID i GSM han estat publicats. D'altra banda, també s'ha desenvolupat un nou mètode de mesura per adquirir el diagrama de probabilitat d¿amplitud (APD), oferint la possibilitat de determinar la probabilitat d'error en el bit incloent límits en el diagrama APD. Aquest mètode de mesura, basat en captures obtingudes mitjançant un oscil·loscopi de propòsit general, fa possible obtenir la mesura APD en qualsevol banda freqüencial amb la mateixa exactitud que proporciona un receptor EMI. A més, amb les eines de postprocessament desenvolupades és possible produir els resultats APD ràpidament i amb qualsevol amplada de banda, i això fa que sigui un mètode de mesura més potent que no pas utilitzar un receptor EMI. L'exitós sistema de mesura creat per obtenir l'APD és capaç d'obtenir la mesura estadística en tot l'espectre radiolèctric utilitzant poques captures en el domini del temps, les quals a la pràctica soón adquirides de forma inmediata. Al capítol final de la tesi, el sistema GMS és interferit per transistors radiats produïts per guspires. El resultat proporcionat pel diagrama APD, incloent-hi els límits, és especialment útil gràcies a la seva rapidesa per interpretar i quantificar la degradació produïda sobre el sistema GSM.

Despite the numerous efforts of standardization, semantic issues remain in effect in many subfields of networking. The inability to exchange data unambiguously between information systems and human resources is an issue that hinders technology implementation, semantic interoperability, service deployment, network management, technology migration, among many others. In this thesis, we will approach the semantic issues in two critical subfields of networking, namely, network configuration management and network addressing architectures. The fact that makes the study in these areas rather appealing is that in both scenarios semantic issues have been around from the very early days of networking. However, as networks continue to grow in size and complexity current practices are becoming neither scalable nor practical. One of the most complex and essential tasks in network management is the configuration of network devices. The lack of comprehensive and standard means for modifying and controlling the configuration of network elements has led to the continuous and extended use of proprietary Command Line Interfaces (CLIs). Unfortunately, CLIs are generally both, device and vendor-specific. In the context of heterogeneous network infrastructures---i.e., networks typically composed of multiple devices from different vendors---the use of several CLIs raises serious Operation, Administration and Management (OAM) issues. Accordingly, network administrators are forced to gain specialized expertise and to continuously keep knowledge and skills up to date as new features, system upgrades or technologies appear. Overall, the utilization of proprietary mechanisms allows neither sharing knowledge consistently between vendors' domains nor reusing configurations to achieve full automation of network configuration tasks---which are typically required in autonomic management. Due to this heterogeneity, CLIs typically provide a help feature which is in turn an useful source of knowledge to enable semantic interpretation of a vendor's configuration space. The large amount of information a network administrator must learn and manage makes Information Extraction (IE) and other forms of natural language analysis of the Artificial Intelligence (AI) field key enablers for the network device configuration space. This thesis presents the design and implementation specification of the first Ontology-Based Information Extraction (OBIE) System from the CLI of network devices for the automation and abstraction of device configurations. Moreover, the so-called semantic overload of IP addresses---wherein addresses are both identifiers and locators of a node at the same time---is one of the main constraints over mobility of network hosts, multi-homing and scalability of the routing system. In light of this, numerous approaches have emerged in an effort to decouple the semantics of the network addressing scheme. In this thesis, we approach this issue from two perspectives, namely, a non-disruptive (i.e., evolutionary) solution to the current Internet and a clean-slate approach for Future Internet. In the first scenario, we analyze the Locator/Identifier Separation Protocol (LISP) as it is currently one of the strongest solutions to the semantic overload issue. However, its adoption is hindered by existing problems in the proposed mapping systems. Herein, we propose the LISP Redundancy Protocol (LRP) aimed to complement the LISP framework and strengthen feasibility of deployment, while at the same time, minimize mapping table size, latency time and maximize reachability in the network. In the second scenario, we explore TARIFA a Next Generation Internet architecture and introduce a novel service-centric addressing scheme which aims to overcome the issues related to routing and semantic overload of IP addresses. / A pesar de los numerosos esfuerzos de estandarización, los problemas de semántica continúan en efecto en muchas subáreas de networking. La inabilidad de intercambiar data sin ambiguedad entre sistemas es un problema que limita la interoperabilidad semántica. En esta tesis, abordamos los problemas de semántica en dos áreas: (i) la gestión de configuración y (ii) arquitecturas de direccionamiento. El hecho que hace el estudio en estas áreas de interés, es que los problemas de semántica datan desde los inicios del Internet. Sin embargo, mientras las redes continúan creciendo en tamaño y complejidad, los mecanismos desplegados dejan de ser escalabales y prácticos. Una de las tareas más complejas y esenciales en la gestión de redes es la configuración de equipos. La falta de mecanismos estándar para la modificación y control de la configuración de equipos ha llevado al uso continuado y extendido de interfaces por líneas de comando (CLI). Desafortunadamente, las CLIs son generalmente, específicos por fabricante y dispositivo. En el contexto de redes heterogéneas--es decir, redes típicamente compuestas por múltiples dispositivos de distintos fabricantes--el uso de varias CLIs trae consigo serios problemas de operación, administración y gestión. En consecuencia, los administradores de red se ven forzados a adquirir experiencia en el manejo específico de múltiples tecnologías y además, a mantenerse continuamente actualizados en la medida en que nuevas funcionalidades o tecnologías emergen, o bien con actualizaciones de sistemas operativos. En general, la utilización de mecanismos propietarios no permite compartir conocimientos de forma consistente a lo largo de plataformas heterogéneas, ni reutilizar configuraciones con el objetivo de alcanzar la completa automatización de tareas de configuración--que son típicamente requeridas en el área de gestión autonómica. Debido a esta heterogeneidad, las CLIs suelen proporcionar una función de ayuda que fundamentalmente aporta información para la interpretación semántica del entorno de configuración de un fabricante. La gran cantidad de información que un administrador debe aprender y manejar, hace de la extracción de información y otras formas de análisis de lenguaje natural del campo de Inteligencia Artificial, potenciales herramientas para la configuración de equipos en entornos heterogéneos. Esta tesis presenta el diseño y especificaciones de implementación del primer sistema de extracción de información basada en ontologías desde el CLI de dispositivos de red, para la automatización y abstracción de configuraciones. Por otra parte, la denominada sobrecarga semántica de direcciones IP--en donde, las direcciones son identificadores y localizadores al mismo tiempo--es una de las principales limitaciones sobre mobilidad, multi-homing y escalabilidad del sistema de enrutamiento. Por esta razón, numerosas propuestas han emergido en un esfuerzo por desacoplar la semántica del esquema de direccionamiento de las redes actuales. En esta tesis, abordamos este problema desde dos perspectivas, la primera de ellas una aproximación no-disruptiva (es decir, evolucionaria) al problema del Internet actual y la segunda, una nueva propuesta en torno a futuras arquitecturas del Internet. En el primer escenario, analizamos el protocolo LISP (del inglés, Locator/Identifier Separation Protocol) ya que es en efecto, una de las soluciones con mayor potencial para la resolucion del problema de semántica. Sin embargo, su adopción está limitada por problemas en los sistemas de mapeo propuestos. En esta tesis, proponemos LRP (del inglés, LISP Redundancy Protocol) un protocolo destinado a complementar LISP e incrementar la factibilidad de despliegue, a la vez que, reduce el tamaño de las tablas de mapeo, tiempo de latencia y maximiza accesibilidad. En el segundo escenario, exploramos TARIFA una arquitectura de red de nueva generación e introducimos un novedoso esquema de direccionamiento orientado a servicios.

La creciente complejidad de los dispositivos electrónicos portátiles demanda fuentes de energía que cumplan con los requerimientos de entregar una alta densidad de potencia en un tamaño reducido y en muchos casos la posibilidad de lograr una completa integración. En este sentido, un intenso trabajo de investigación se ha enfocado hacia la miniaturización de las fuentes de alimentación en una amplia variedad de tecnologías. Una tendencia similar se ha seguido en el campo de los sistemas micro electromecánicos (MEMS), donde el concepto de sistema inteligente o Smart System ha impulsado el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de alimentación, tales como baterías, pilas de combustible o generadores de energía, que en conjunto se conocen como powerMEMS. Entre los diferentes sistemas de generación de energía, las micro pilas de combustible han recibido una especial atención debido a sus particulares características, como son la alta densidad de energía, emisiones no-tóxicas y la posibilidad de eliminar partes móviles simplificando el proceso de fabricación y reduciendo la probabilidad de fallo. Las pilas de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) son particularmente atractivas debido a su capacidad de trabajar a temperatura ambiente usando hidrógeno o combustibles líquidos. La posibilidad de funcionar con combustibles líquidos, tales como metanol o compuestos orgánicos, representa una ventaja importante para las aplicaciones portátiles debido a la simplicidad de almacenamiento y manipulación del combustible. En esta tesis se presentan los primeros desarrollos y contribuciones tecnológicas al campo de micro pilas de combustible llevados a cabo en el IMB-CNM (CSIC). En particular, este trabajo está dedicado al estudio de pilas de combustible microfabricadas como fuentes de energía para microsistemas. Esta tesis se compone de siete capítulos: el capítulo de introducción y seis capítulos experimentales divididos en tres secciones. La primera sección describe el desarrollo de una micro pila de combustible de metanol directo utilizando un enfoque híbrido, el cual fue utilizado para identificar y medir los efectos que más influyen en el rendimiento del dispositivo en la microescala. La segunda sección presenta las estrategias realizadas respecto a la integración de todos los componentes de la micro pila hacia un dispositivo más compacto utilizando tecnologías de microfabricación compatibles. Estos métodos incluyeron el uso de diferentes técnicas de microestructuración de polímeros como una manera de optimizar las dimensiones del dispositivo, así como la reducción de costes de los materiales y producción. Por último, la tercera sección presenta dos aplicaciones específicas de las micro pilas de combustible desarrolladas, una bio pila de combustible microfabricada utilizando microorganismos como biocatalizadores de compuestos orgánicos y una plataforma microfluídica alimentada por una micro pila de combustible que puede ser de gran interés para aplicaciones Lab-on-a-Chip o micro Total Analysis Systems (µTAS). / The increasing complexity of portable electronic devices demands energy sources that meet the requirement of delivering a high power density within a reduced size, and in many cases the possibility of achieving complete integration. In this sense, an intense research effort has been focused towards the miniaturization of powering devices in a wide variety of technologies. A similar trend has been followed in the micro electromechanical systems (MEMS) technology field, where the smart-system concept has impelled the development of a new generation of powering devices, such as batteries, fuel cells or energy harvesters, which altogether are known as powerMEMS. Among the different energy generation systems, micro fuel cells have received special attention due to their particular features, i.e. high energy density, non-toxic emissions and the possibility of avoiding movable parts simplifying the fabrication process and reducing the risk of failure. Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are particularly attractive due to their capability of working at room temperature using both hydrogen and liquid fuels. The possibility to operate using liquid fuels, such as methanol or organic compounds, represent an important advantage for portable applications due to the great simplification of fuel storage and handling processes. This thesis presents the first developments and technological contributions to the micro fuel cell field performed at IMB-CNM (CSIC). Particularly, this work is dedicated to the design and fabrication of microfabricated fuel cells as power sources to be integrated within the microsystems to be powered. The work is organized in seven chapters: one introductory chapter and six experimental chapters that have been divided in three sections. The first section describes the development of a micro direct methanol fuel cell using a hybrid approach, which was used to identify and measure the effects that influence the most on the device performance at a microscale. The second section presents different strategies regarding the integration of all micro fuel cell components into a more compact device by taking advantage of microfabrication compatible technologies. These approaches involved the use of different polymer micropatterning techniques as a way to optimize the device dimensions and reduce materials and production cost. Finally, the third section presents two particular applications of the developed micro fuel cells, a microfabricated bio fuel cell using microorganisms as biocatalysts of organic compounds and a fuel cell powered microfluidic platform that can be of great interest for Lab-on-a-Chip or micro Total Analysis Systems (µTAS).

Esta tesis estudia sistemas Machine-to-Machine (M2M) en los que se ejecutan tareas de manera autónoma sin, o con mínima intervención humana. Los sistemas M2M están formados por dispositivos desplegados en un entorno que recolectan información relacionada con una tarea y la envían a aplicaciones para su proceso. Las aplicaciones optimizan estas tareas y responden a los dispositivos con comandos de control. Idealmente, después de configurar las políticas de tareas, los humanos son excluidos del lazo de control. Un importante caso de uso en M2M es la automatización de la red eléctrica, también conocido como Smart Grid, que se trata en esta tesis. Muchos escenarios M2M requieren dispositivos de bajo bitrate, bajo coste y que puedan ser fácilmente desplegables y mantenidos. Una solución adecuada son los dispositivos inalámbricos, alimentados por batería y de capacidades limitadas (con reducida potencia de procesado y memoria). Un bajo mantenimiento requiere años de vida, que sólo pueden conseguirse con protocolos de comunicación altamente eficientes energéticamente. En esta tesis nos centramos principalmente en las capas MAC y de enlace (especialmente en esquemas Cooperative Automatic Repeat Request) para mejorar la eficiencia energética de los dispositivos. Proponemos y evaluamos extensiones de Cooperative MAC para varios estándares como IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 y sus revisiones MAC. El transmisor radio de los dispositivos puede ponerse en estado de reposo cuando está inactivo, llevando a cortos periodos de activación (duty-cycle) en dispositivos de bajo bitrate, consiguiendo así un ahorro energético considerable. Dado que la capa MAC controla los estados de reposo de los transmisores radio, los esquemas de Duty-Cycle MAC son el pilar de las comunicaciones energéticamente eficientes. Por ello, en esta tesis diseñamos, analizamos y evaluamos esquemas Cooperative and Duty-Cycled ARQ (CDC-ARQ). CDC-ARQ se basa en la (re)transmisión dinámica de paquetes (dynamic packet forwarding) dependiendo del estado del canal inalámbrico. Cuantificamos las ganancias considerando enlaces inalámbricos de baja potencia con modelos realistas, que sufren efectos de apantallamiento (shadowing) desvanecimientos (fading) de canal, y presentamos las condiciones bajo las cuales CDC-ARQ consiguen mejores resultados que las técnicas estándar de forwarding. Finalmente, determinamos estrategias óptimas de selección de enlace y retransmisión para direct, multi-hop y CDC-ARQ forwarding. Los esquemas de comunicación inalámbricos energéticamente eficientes son adecuados, por ejemplo, para automatización de edificios y hogar, contribuyendo a un buen uso de la energía eléctrica en dichos escenarios. Después de considerar el entorno de dispositivos, la tesis se centra en las aplicaciones, al otro lado de los sistemas M2M. Las aplicaciones típicamente intercambian datos sobre amplias zonas con varios dispositivos remotos. Las técnicas de computación distribuida, estandarizadas e implementadas en plataformas middleware para sistemas M2M, facilitan este intercambio de datos. Los requisitos de comunicación de estas aplicaciones son diversos en términos de latencia, número de actualizaciones, número de dispositivos asociados, etc. Mientras que las soluciones middleware existentes tales como ETSI M2M satisfacen los requisitos de ciertas aplicaciones, dichas soluciones son inadecuadas para los requisitos de latencia de transmisión en tiempo real. Esta tesis propone y analiza modificaciones del ETSI M2M que mejoran el rendimiento en tiempo real. El análisis se ejemplifica con tres aplicaciones Smart Grid, una relacionada con la automatización del hogar y edificios, y las otras dos con la monitorización y control del flujo de potencia de la red eléctrica. / This thesis studies emerging Machine-to-Machine (M2M) systems that execute automated tasks without, or with minimum human intervention. M2M systems consist of devices deployed in the field to collect task-related information and send it to remote applications for processing. The applications optimise the tasks and issue control commands back to the devices. Ideally, after configuring the task policies, humans are excluded from the control loop. A prominent and urgent M2M use case concentrates on the automation of the electric power grid, also known as Smart Grid, that is considered in the thesis. Many M2M scenarios require devices that are low-rate, low-cost and can be easily deployed and maintained. A fitting solution are wireless, battery-powered and resource-constrained devices (with limited processing power and memory). Low-maintenance requires years of lifetime, that can only be achieved with unprecedented energy efficiency of communication protocols. Specifically, we focus on the MAC and link layers in this thesis (especially on the Cooperative Automatic Repeat Request schemes) to improve the energy efficiency of the devices. Cooperative MAC extensions to the various standard technologies such as IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 and its MAC amendments are proposed and evaluated. The radio transceiver of a device can be put to sleep state when inactive, yielding very low duty-cycles for low-rate devices, and thus achieving significant energy savings. Since the MAC layer controls the radio transceiver sleep states, duty-cycled MAC schemes are the cornerstone of the energy-efficient communication schemes. To that end, Cooperative and Duty-Cycled ARQ (CDC-ARQ) scheme has been designed, analysed and evaluated in this thesis. CDC-ARQ is based on dynamic packet forwarding depending on the current state of the wireless channel. The benefits are quantified by considering realistic wireless low-power links that experience shadowing and multipath fading channel effects. The conditions under which CDC-ARQ outperforms the standard forwarding techniques are presented. Finally, optimal link selection and retransmission strategies are determined for direct, multi-hop or CDC-ARQ forwarding. The studied energy-efficient wireless schemes are suitable e.g. for home and building automation which can contribute to the efficient use of the electric power in homes and buildings. After considering the device domain, the focus of this thesis turns to the applications at the other end of the M2M system. The applications typically exchange data over wide areas with many remote devices. Distributed computing techniques facilitate this data exchange, standardised and implemented in the middleware platform for M2M systems. The communication requirements of these applications are diverse in terms of data latency, update rate, number of associated devices etc. While the existing middleware solutions such as ETSI M2M fully support communication requirements of some applications, the solution is inadequate when it comes to the real-time latency constraint. Some suitable upgrades that improve the real-time performance of data exchange in ETSI M2M middleware are analysed in the thesis. The analysis is exemplified with three Smart Grid applications, one related to the home and building automation and the other two concerned with monitoring and control of the power flow in the electric grid.

Network virtualisation is a promising technique for dealing with the resistance of the Internet to architectural changes, enabling a novel business model in which infrastructure management is decoupled from service provision. It allows infrastructure providers (InPs) who own substrate networks (SNs) to lease chunks of them out to service providers who then create virtual networks (VNs), which can then be re-leased out or used to provide services to end-users. However, the different VNs should be initialised, in which case virtual links and nodes must be mapped to substrate nodes and paths respectively. One of the challenges in the initialisation of VNs is the requirement of an efficient sharing of SN resources. Since the profitability of InPs depends on how many VNs are able to be allocated simultaneously onto the SN, the success of network virtualisation will depend, in part, on how efficiently VNs utilise physical network resources. This thesis contributes to efficient resource sharing in network virtualisation by dividing the problem into three sub-problems: (1) mapping virtual nodes and links to substrate nodes and paths i.e. virtual network embedding (VNE), (2) dynamic managing of the resources allocated to VNs throughout their lifetime (DRA), and (3) provisioning of backup resources to ensure survivability of the VNs. The constrained VNE problem is NP-Hard. As a result, to simplify the solution, many existing approaches propose heuristics that make assumptions (e.g. a SN with infinite resources), some of which would not apply in practical environments. This thesis proposes an improvement in VNE by proposing a one-shot VNE algorithm which is based on column generation (CG). The CG approach starts by solving a restricted version of the problem, and thereafter refines it to obtain a final solution. The objective of a one-shot mapping is to achieve better resource utilisation, while using CG significantly enhances the solution time complexity. In addition current approaches are static in the sense that after the VNE stage, the resources allocated are not altered for the entire lifetime of the VN. The few proposals that do allow for adjustments in original mappings allocate a fixed amount of node and link resources to VNs throughout their life time. Since network load varies with time due to changing user demands, allocating a fixed amount of resources based on peak load could lead to an inefficient utilisation of overall SN resources, whereby, during periods when some virtual nodes and/or links are lightly loaded, SN resources are still reserved for them, while possibly rejecting new VN requests. The second contribution of this thesis are a set of proposals that ensure that SN resources are efficiently utilised, while at the same making sure that the QoS requirements of VNs are met. For this purpose, we propose self-management algorithms in which the SN uses time-difference machine learning techniques to make autonomous decisions with respect to resource allocation. Finally, while some scientific research has already studied multi-domain VNE, the available approaches to survivable VNs have focused on the single InP environment. Since in the more practical situation a network virtualisation environment will involve multiple InPs, and because an extension of network survivability approaches from the single to multi domain environments is not trivial, this thesis proposes a distributed and dynamic approach to survivability in VNs. This is achieved by using a multi-agent-system that uses a multi-attribute negotiation protocol and a dynamic pricing model forming InPs coalitions supporting SNs resource backups. The ultimate objective is to ensure that virtual network operators maximise profitability by minimising penalties resulting from QoS violations. / La virtualització de xarxes es una tècnica prometedora per afrontar la resistència d'Internet als canvis arquitectònics, que permet un nou model de negoci en el que la gestió de la infraestructura de xarxa es desacobla de la provisió del servei. Això permet als proveïdors de infraestructura (InPs), propietaris de la xarxa física substrat (SN), llogar segments d'aquesta als proveïdors dels serveis, que crearan xarxes virtuals (VNs) que a l'hora poden re-llogar-se o utilitzar-se per donar servei a usuaris finals. No obstant això, les diferents VNs s'han d'inicialitzar assignant els seus nodes i enllaços als del substrat. Un dels reptes d'aquest procés es el requisit de fer un ús eficient dels recursos de la SN. Donat que el benefici d'un InP depèn del nombre de xarxes virtuals que puguin allotjar-se simultàniament en la SN, l'èxit de la virtualització de xarxes depèn en part de quan eficient es l’ús dels recursos de la xarxa física per part de les VNs. Aquesta Tesi contribueix a la millora de l’eficiència en la compartició de recursos en la virtualització de xarxes dividint el problema en tres sots problemes: (1) assignació de nodes i enllaços virtuals a nodes i enllaços del substrat (VNE), (2) gestió dinàmica dels recursos assignats a les VNs al llarg de la seva vida útil (DRA) i (3) aprovisionament de recursos de backup per assegurar la supervivència de les VNs. La naturalesa del problema VNE el fa “NP-Hard". En conseqüència, per simplificar la solució, moltes de les propostes son heurístiques que es basen en hipòtesis (per exemple, SN amb recursos il•limitats) de difícil compliment en escenaris reals. Aquesta Tesi proposa una millora al problema VNE mitjan_cant un algorisme “one-shot VNE" basat en generació de columnes (CG). La solució CG comena resolent una versió restringida del problema, per tot seguit refinar-la i obtenir la solució final. L'objectiu del “one-shot VNE" es aconseguir millorar l’ús dels recursos, mentre que CG redueix significativament la complexitat temporal del procés. D'altre banda, les solucions actuals son estàtiques, ja que els recursos assignats en la fase VNE no es modifiquen durant tot el temps de vida útil de la VN. Les poques propostes que permeten reajustar l’assignació inicial, es basen en una assignació fixe de recursos a les VNs. No obstant això, degut a que la càrrega de la xarxa varia a conseqüència de la demanda canviant dels usuaris, assignar una quantitat fixe de recursos basada en situacions de càrrega màxima esdevé en ineficiència per infrautilització en períodes de baixa demanda, mentre que en tals períodes de demanda baixa, el tenir recursos reservats, pot originar rebutjos de noves VNs. La segona contribució d'aquesta Tesi es un conjunt de propostes que asseguren l’ús eficient dels recursos de la SN, garantint a la vegada els requeriments de qualitat de servei de totes les VNs. Amb aquesta finalitat es proposen algorismes d’autogestió en els que la SN utilitza tècniques d'aprenentatge de màquines per a materialitzar decisions autònomes en l’assignació dels recursos. Finalment, malgrat que diversos estudis han tractat ja el problema VNE en entorn multi-domini, les propostes actuals de supervivència de xarxes virtuals s'han limitat a contexts d'aprovisionament per part d'un sol InP. En canvi, a la pràctica, la virtualització de xarxes comportarà un entorn d'aprovisionament multi-domini, i com que l’extensió de solucions de supervivència d'un sol domini al multi-domini no es trivial, aquesta Tesi proposa una solució distribuïda i dinàmica per a la supervivència de VNs. Això s'aconsegueix amb un sistema multi-agent que utilitza un protocol de negociació multi-atribut i un model dinàmic de preus per formar coalicions d'InPs que proporcionaran backups als recursos de les SNs. L'objectiu últim es assegurar que els operadors de xarxes virtuals maximitzin beneficis minimitzant les penalitzacions per violació de la QoS. / La virtualización de redes es una técnica prometedora para afrontar la resistencia de Internet a cambios arquitectónicos, que permite un nuevo modelo de negocio en el que la gestión de la infraestructura está desacoplada del aprovisionamiento del servicio. Esto permite a los proveedores de infraestructuras (InPs), propietarios de la red física subyacente (SN), alquilar segmentos de la misma a los proveedores de servicio, los cuales crearán redes virtuales (VNs), que a su vez pueden ser realquiladas o usadaspara proveer el servicio a usuarios finales. Sin embargo, las diferentes VNs deben inicializarse, mapeando sus nodos y enlaces en los del substrato. Uno de los retos de este proceso de inicialización es el requisito de hacer un uso eficiente de los recursos de la SN. Dado que el benecio de los InPs depende de cuantas VNs puedan alojarse simultáneamente en la SN, el éxito de la virtualización de redes depende, en parte, de cuan eficiente es el uso de los recursos de red físicos por parte de las VNs. Esta Tesis contribuye a la compartición eficiente de recursos para la virtualización de redes dividiendo el problema en tres sub-problemas: (1) mapeo de nodos y enlaces virtuales sobre nodos y enlaces del substrato (VNE), (2) gestión dinámica de los recursos asignados a las VNs a lo largo de su vida útil (DRA), y (3) aprovisionamiento de recursos de backup para asegurar la supervivencia de las VNs. La naturaleza del problema VNE lo hace “NP-Hard". En consecuencia, para simplificar la solución, muchas de las actuales propuestas son heurísticas que parten de unas suposiciones (por ejemplo, SN con recursos ilimitados) de difícil asumir en la práctica. Esta Tesis propone una mejora al problema VNE mediante un algoritmo “one-shot VNE" basado en generación de columnas (CG). La solución CG comienza resolviendo una versión restringida del problema, para después refinarla y obtener la solución final. El objetivo del “one-shot VNE" es mejorar el uso de los recursos, a la vez que con CG se reduce significativamente la complejidad temporal del proceso. Por otro lado,las propuestas actuales son estáticas, ya que los recursos asignados en la fase VNE no se alteran a lo largo de la vida útil de la VN. Las pocas propuestas que permiten reajustes del mapeado original ubican una cantidad fija de recursos a las VNs. Sin embargo, dado que la carga de red varía con el tiempo, debido a la demanda cambiante de los usuarios, ubicar una cantidad fija de recursos basada en situaciones de pico conduce a un uso ineficiente de los recursos por infrautilización de los mismos en periodos de baja demanda, mientras que en esta situación, al tener los recursos reservados, pueden rechazarse nuevas solicitudes de VNs. La segunda contribución de esta Tesis es un conjunto de propuestas para el uso eficiente de los recursos de la SN, asegurando al mismo tiempo la calidad de servicio de las VNs. Para ello se proponen algoritmos de auto-gestión en los que la SN usa técnicas de aprendizaje de máquinas para materializar decisiones autónomas en la asignación de recursos. Finalmente, aunque determinadas investigaciones ya han estudiado el problema multi-dominio VNE, las propuestas actuales de supervivencia de redes virtuales se han limitado a un entorno de provisión de infraestructura de un solo InP. Sin embargo, en la práctica, la virtualización de redes comportará un entorno de aprovisionamiento con múltiples InPs, y dado a que la extensión de las soluciones de supervivencia de un entorno único a uno multi-dominio no es trivial, esta Tesis propone una solución distribuida y dinámica a la supervivencia de VNs. Esto se consigue mediante un sistema multi-agente que usa un protocolo de negociación multi-atributo y un modelo dinámico de precios para conformar coaliciones de InPs para proporcionar backups a los recursos de las SNs. El objetivo último es asegurar que los operadores de VNs maximicen su beneficio minimizando la penalización por violación de la QoS.