This thesis is focused on multi-sensor event detection schemes in Wireless Sensor Network (WSN). In the WSN, sensors individually take their observations, do some initial local processing and then send the result to the fusion center. Apart from this information, the fusion center may have prior information such as the known positions of sensors, the topology of the network or structures, features and patterns present in the received observations. In order to achieve better detection performance, the fusion center must exploit all this prior information in the best possible way. Keeping this in mind, in this thesis we focus on the exploitation of available a-priori information with the aim of developing enhanced and robust detection mechanisms. For instance, we exploit the fact that in most applications, the signal emitted from the event becomes a local physical phenomenon that only a"ects a small subset of sensors. Moreover, the a"ected sensors will be located close to the event as well as close to each other in the form of a spatial cluster. Hence, novel detection schemes are presented with a two-fold motivation: !rst, the exploitation of the relevant set of sensors, which helps in rejecting the noise; second, to take advantage of the signal correlation by using a-priori information about the positions of sensors. Based on these results, we move one step further and concentrate on the exploitation of both spatial and temporal correlation in the received observations. In this case, we propose detection schemes that explore di"erent matrix structures embedded in the observed covariance matrix, which naturally arise due to the underlying topologies of the multiple sensors. Numerical results are presented for all of the proposed schemes that show important advantages compared to traditional schemes.

En comunicaciones móviles, los avances de nuevas tecnologías están principalmente impulsados por el incremento en las velocidades de transmisión. Uno de estos avances es el uso de señales multiportadora que permiten una distribución flexible y eficiente de recursos en tiempo y frecuencia. Diversos sistemas utilizan esta característica para combinar funcionalidades de comunicaciones con posicionamiento, debido a la creciente demanda de servicios de datos y localización en dispositivos móviles. Sin embargo, la principal degradación en interiores y escenarios urbanos se produce por el efecto del canal multicamino, que induce un considerable sesgo en la estimación de distancias. Por lo tanto, es necesario contrarrestar el multicamino para alcanzar el máximo rendimiento en posicionamiento. Esta tesis aborda el potencial de las señales multiportadora en comunicaciones móviles para la estimación de distancias en canales severos, caracterizados por denso multicamino. Para ello, se considera el caso práctico del estándar de comunicaciones Long Term Evolution (LTE). Este estándar es de especial interés ya que define una señal multiportadora OFDM dedicada para posicionamiento mediante diferencias en los tiempos de llegada observados (OTDoA), llamada señal de referencia de posicionamiento (PRS). Por lo tanto, la primera parte de la tesis evalúa la precisión de posicionamiento alcanzable utilizando la PRS en LTE con receptores convencionales, como el filtro adaptado o las técnicas basadas en la correlación. La contribución principal de la tesis se encuentra en la segunda parte, con la introducción de la estimación conjunta del tiempo de retardo y la respuesta del canal. Ésta es una solución óptima para señales multiportadora, ya que la estimación de canal se puede implementar fácilmente en el dominio frecuencial. Sin embargo, la mayoría de los algoritmos de estimación conjunta se centran en aplicaciones de comunicaciones, sin considerar la precisión extrema de la estimación de retardo requerida para posicionamiento. Por lo tanto, en esta tesis se propone una innovadora parametrización del canal para caracterizar el multicamino cercano. Este modelo de estimación de canal se basa en el tiempo de retardo y términos equiespaciados junto a un término arbitrario, con una posición variable entre los dos primeros términos equiespaciados. Este nuevo método híbrido se adopta en el estimador de máxima verosimilitud conjunto (JML) del tiempo de retardo para mejorar la estimación de la distancia en presencia de multicamino cercano. La optimalidad del estimador se confirma ya que su varianza alcanza la cota de Cramér-Rao. El rendimiento de este estimador de distancias se compara con los estimadores convencionales en condiciones realistas de navegación. Estas condiciones se caracterizan mediante modelos de canal estándar adoptados en LTE, ruido Gaussiano blanco aditivo (AWGN) y los anchos de banda de LTE. Los resultados en las estimaciones del tiempo de retardo se utilizan para determinar el orden óptimo del modelo de los estimadores, y para evaluar la máxima precisión en la estimación de distancias. Se muestra una mejora importante mediante el estimador JML propuesto en entornos con multicamino cercano. En la última parte de la tesis, el objetivo es validar el rendimiento del estimador de distancias con señales LTE reales. Para ello, se desarrolla un receptor software-defined radio (SDR) para el posicionamiento OTDoA en LTE. Se utiliza un escenario preliminar con cuatro estaciones base sincronizadas para validar el sistema de posicionamiento. A continuación, se obtiene la envolvente del error producido por multicamino (MPEE) en los estimadores JML para los casos de señal emulada y simulada. El trabajo se completa con la validación del rendimiento del nuevo estimador conjunto de distancias, utilizando el receptor SDR en un canal urbano emulado. Los resultados obtenidos muestran la mejora en la precisión de las distancias del nuevo estimador en canales de navegación realistas. / The provision of high-data rates leads the advances of new technologies in mobile communications. One of these advances is the use of multicarrier signals that allow a flexible allocation of resources in time and frequency, thus the spectrum can be efficiently shared for different applications. This feature is used by several systems to combine communications and positioning capabilities, due to the increasing demand of data and location services. However, the main impairment in indoor and urban scenarios is the effect of the multipath channel, which induces a considerable bias on the ranging estimation. Thus, countermeasures against multipath are necessary to achieve the ultimate positioning performance. This thesis deals with the ranging capabilities of multicarrier signals in mobile communications over harsh environments, characterized by dense multipath. For this purpose, the practical case of the Long Term Evolution (LTE) mobile communications standard is considered. The LTE standard is of special interest because it defines an OFDM multicarrier signal dedicated to support the observed time difference of arrival (OTDoA) positioning, which is based on ranging estimates with respect to the reference base stations. This pilot signal is called positioning reference signal (PRS), and it is used for time-delay estimation (TDE) in the procedure to locate the mobile device. Thus, the first part of the thesis is aimed to assess the achievable localization capabilities of LTE conventional receivers, e.g. matched filter or correlation-based techniques, using the PRS. Despite the inter-cell interference can be mostly removed by the coordinated transmission of the PRS, multipath notably degrades the positioning accuracy of these conventional estimators. The main contribution of this thesis is provided in the second part, by introducing the joint estimation of time delay and channel response. This is an optimum solution for multicarrier signals, due to the straightforward implementation of the channel estimation in the frequency domain. However, most of the joint estimation algorithms are focused on communication applications, without considering the extreme accuracy of the TDE required for positioning. Thus, a novel channel parameterization is proposed in this thesis to characterize close-in multipath. This channel estimation model is based on the time delay and equi-spaced taps together with an arbitrary-tap with variable position between the first two equi-spaced taps. This new hybrid approach is adopted in the joint maximum likelihood (JML) time-delay estimator to improve the ranging performance in the presence of short-delay multipath. The optimality of this estimator is confirmed because its variance attains the Cram\'er-Rao bound. The ranging performance of this estimator is then compared to conventional estimators in realistic navigation conditions. These conditions are characterized by standard channel models adopted in LTE, additive white Gaussian noise (AWGN) and the LTE signal bandwidths. The resulting time-delay estimations are used to determine the optimum model order of the estimators, and to assess the achievable ranging accuracy. A notable improvement is shown by the JML estimator proposed in close-in multipath scenarios. In the last part of the thesis, the goal is to validate the ranging performance of the proposed estimator using real LTE signals. For this purpose, a software-defined radio (SDR) receiver is developed for OTDoA positioning in LTE. A preliminary scenario with four synchronized base stations is used to validate the positioning engine. Then, the multipath error envelope (MPEE) of the JML estimators is obtained for the emulated and simulated signal cases. The work is completed with the validation of the ranging performance of the new JML time-delay and channel estimator, by using the SDR receiver in an emulated urban channel. The results obtained show the improvement on the ranging accuracy of the new JML estimator over realistic navigation channels.

Las propiedades de conmutación de óxidos de metales de transición y vidrios calcogenuros en estructuras metal-aislante -metal se estudiaron en los años sesenta y setenta. Hoy en día, estas propiedades y materiales se están estudiando con renovado interés debido a que son muy prometedores tanto para dispositivos lógicos como para aplicaciones de memoria. Las memorias de cambio de fase (PCRAM) basadas en transiciones cristalino /amorfo inducidas por calentamiento Joule son ya una realidad comercial. Sin embargo, estos dispositivos sufren de corriente demasiado alta durante la programación y consumo de potencia elevado. En este sentido, la conmutación resistiva (RS) en óxidos de metales de transición se está investigado intensamente debido a su potencial como Memorias Resistivas de Acceso Aleatorio (RRAM). Estas estructuras son ideales para las matrices de memoria de tipo “crossbar” que actualmente están consideradas como los más prometedoras para la implementación del concepto “storage class memroy”. En particular, se considera que estas memorias podrían reemplazar en un futuro a las memorias flash NAND y también eventualmente a las memorias RAM estáticas (SRAM) y dinámicas (DRAM), reduciendo así la jerarquía de memoria en los sistemas de computación. Por otro lado, óxidos electroformados han permitido la primera implementación del dispositivo de estado sólido conocido como memristor , un dispositivo teóricamente propuesto por Chua en 1971 . Este dispositivo es muy prometedor para aplicaciones de lógica reconfigurable y para la aplicación de arquitecturas de computación neuromórficas . Hay tres factores importantes que en la actualidad impiden la transferencia de los resultados de RS a la aplicación industrial , (i) la falta de una adecuada comprensión de la física de los mecanismos físicos de RS, y (ii) la variación estadística de los parámetros de set y reset entre ciclos de operación y de dispositivo a dispositivo, así como (iii) los problemas de fiabilidad , tales como la baja retención a alta temperatura . Esta tesis se centra en dos cuestiones fundamentales: (1) estudiar la física de los mecanismos de conmutación y de conducción del filamento conductor (CF) y (2) la exploración y modelado de las estadísticas de conmutación. La tesis se ha dividido en tres partes principales. La primera de ellas está dedicada a poner de manifiesto la naturaleza del CF , sus propiedades de conducción y de los mecanismos que controlan las transiciones de set y reset. La segunda parte está dedicada al estudio de la variación estadística de los parámetros en los dispositivos RRAM. Partiendo de una implementación basada en celdas del modelo percolativo de la ruptura dieléctrica, se ha propuesto un modelo analítico para las estadísticas de SET y RESET en dispositivos RRAM. La tercera parte está dedicada a poner de manifiesto de tres estados RS efectos para los dispositivos basados en RRAM HfO2 usando tres métodos diferentes de estrés eléctrico, el estrés con rampa de tensión (RVS), estreses sucesivos de rampa de tensión (SVS) , y el estrés a tensión constante (CVS) . En la primera parte , el modelo de Quantum Punto de Contacto (QPC) se ha aplicado al estudio de las propiedades de conducción del CF en los dispositivos RRAM basados en HfO2, tanto en el estado de alta resistencia (HRS) como en el de baja resistencia (LRS). Sobre la base del método de transmisión de Landauer para la conducción a lo largo de constricciones microscópicas estrechas , se ha desarrollada la fórmula del modelo QPC para el caso de múltiples filamentos conductores. Esta ecuación es aplicable tanto al HRS como al LRS, tal como hemos demostrado en dispositivos RRAM basados en HfO2. Posteriormente , el modelo QPC ha sido reformulado en un enfoque multi- escala basado en el acoplamiento a los resultados de simulaciones ab-initio de caminos de vacantes de oxígeno. De esta manera, el modelo se ha simplificado para tener sólo tres parámetros y se ha explicitado una conexión directa con la geometría del CF. Mediante el ajuste de las características I-V experimentales tanto en HRS y los LRS hemos obtenido información indirecta sobre la estructura microscópica del CF en estructuras Pt/Ti/HfO2/Pt y Pt/HfO2/Pt. Para la estructura Pt/HfO2/Pt en modo RS no polar, el CF es simétrico y muy probablemente presenta su mayor constricción en el centro de la capa de óxido. Durante la transición de reset, el CF se estrecha progresivamente hast llegar a un límite de sólo uno o muy pocos caminos de vacantes de oxígeno que conectan los electrodos . Esta etapa es seguida por la apertura de un gap en el CF. La longitud de dicho gap determina la conductancia en el HRS y la puede cambiar en varios órdenes de magnitud. Para la estructura Pt/Ti/HfO2/Pt, el CF es altamente asimétrico, con la parte constrictiva más estrecha cerca de la interfaz entre el HfO2 y el Pt. Se cree que la película de Ti actúa como una capa de extracción de oxígeno y sirve para introducir una alta densidad de vacantes de oxígeno en el HfO2. En el caso de RS bipolar, se ha encontrado un gap en el CF en los dos estados (de mayor dimensión en el HRS) y también se ha puesto de manifiesto una reducción del área efectiva del CF. Para el modo RS unipolar, el número de caminos conductores en el HRS es mucho menor que en el modeo bipolar, aunque el resto de propiedades se mantiene muy parecida. En la segunda parte , hemos partido del modelo percolativo de ruptura basado en celdas como base para proponer un marco general para las estadísticas de conmutación resistiva filamentar. Dicho modelo consta de dos elementos principales: (i) un modelo geométrico basado en celdas para describir la dependencia de la distribución de la RS con la generación de defectos en el CF ; y (ii) un modelo determinista para la dinámica reset y set para describir la relación de la generación de defectos con variables mesurables tales como tensiones y corrientes. El análisis de resultados experimentales obtenidos en muestras Pt/HfO2/Pt han confirmado la validez del modelo estadístico tanto para el set como para el reset. En la tercera parte de la tesis, la transición de reset de las estructuras RRAM basadas en HfO2 se ha investigado en detalle, poniendo especial énfasis en revelar efectos de conmutación resistiva de tres estados. La existencia de un estado intermedio estable se ha puesto de manifiesto experimentalmente. Se ha demostrado que, en dicho estado, el CF se comporta como un cable cuántico (QW). Para ello se han utilizado tres métodos eléctricos diferentes, RVS , SVS y CVS . Este estado de QW se caracteriza por tener la conductancia del orden de la conductancia cuántica G0 ~ 2e2/h. Los tres estados de resistencia que se han puesto de manifiesto son: (1) el LRS, en el que el CF es muy ancho y presenta propiedades de conducción metálicas clásicas; (2) un estado de reset parcial en la que el CF se comporta como un QW y que puede ser tan estrecho como un camino conductor de un solo defecto; y (3) el HRS, en el que un gap se ha abierto en el CF. Un único QW canal de transporte con una conductancia del orden de G0 representa la frontera natural entre el LRS y el HRS. Por último, para mostrar el impacto del estado intermedio sobre las estadísticas de tensión de set y reset, se ha diseñado un test a dos fases, consistentes en una rampa de tensión precedida por un estrés a tensión constante que sitúa un buen número de dispositivos en el estado QW. / Switching properties of transition metal oxides and chalcogenide glasses in Metal-Insulator-Metal were studied in the sixties and seventies. Nowadays, these properties and materials are being studied with renewed interest because they are very promising both for logic and memory applications. Phase-change RAM memories based on crystalline/amorphous transitions induced by Joule heating are already a commercial reality. However, these memories suffer from too high programming current and power. In this regard, resistive switching (RS) in formed transition metal oxides is being intensively investigated due to their promising performance as Resistive Random Access Memories (RRAM). These structures are ideal for crossbar memory arrays that are presently considered as the most promising implementation of storage class memory. These memories might replace Flash NAND and also eventually DRAM and SRAM, thus reducing the memory hierarchy. On the other hand, formed oxides have allowed the first solid-state device implementation of the memristor, a device theoretically anticipated by Chua in 1971. This device is very promising for reconfigurable logic applications and for the implementation of neuromorphic computer architectures. There are two important issues which presently hinder the transfer of RS results to industrial application, (i) a lack of adequate understanding of the physics of the mechanisms of RS and (ii) the statistical variation of switching parameters during cycling and from device to device, and reliability issues such as retention at high temperature. This thesis focuses on two key issues: (1) unveiling the physics of the switching and conductance mechanisms of the Conducting Filament (CF) and (2) exploring and modeling the switching statistics. The thesis has been divided into three main parts. The first one is dedicated to reveal the nature of the CF, its conduction properties and the mechanisms which control its formation and disruption. The second part is dedicated to study the statistical variation of switching parameters of RRAM devices. Departing from the cell-based percolation model of gate dielectric breakdown to propose an analytical model for set and reset statistics in RRAM devices. The third part is dedicated to reveal three-state RS effects for HfO2-based RRAM devices using three different electrical stress methods, namely the Ramped Voltage Stress (RVS), the Successive Voltage Stress (SVS), and the Constant Voltage Stress (CVS). In the first part, the Quantum Point Contact (QPC) model has been applied to study the conduction properties of CF in HfO2-based RRAM devices both in the High Resistance State (HRS) and the Low Resistance State (LRS). On the basis of Landauer transmission approach to conduction along narrow microscopic constrictions, the formula of QPC model for multiple breakdown paths has been obtained in MOS devices. This equation can be applicable to both the HRS and the LRS in HfO2-based RRAM devices. Subsequently, the QPC model has been reformulated in a multi-scale approach based on coupling it to the results of ab-initio simulations of oxygen vacancy paths. In this way the model has been simplified to have only three parameters and has been given a direct link to the geometry of the CF. Fitting of the experimental I-V characteristics in both HRS and the LRS provides indirect information about the microscopic structure of the CF for Pt/Ti/HfO2/Pt and Pt/HfO2/Pt structures. For nonpolar Pt/HfO2/Pt structure, the CF is symmetry where the most constrictive part is in the center of the CF. Starting from a very wide CF in the LRS, the width of the CF in its narrowest part reduces to a limit where only one or few oxygen vacancy paths connect the electrodes. This stage is followed by the opening of a gap that the thickness of the most conductive single vacancy path determines the CF conductance in the HRS. For Pt/Ti/HfO2/Pt structure, the CF is highly asymmetric, with the narrowest constrictive part near the bottom of interface. The Ti film is believed to act as an oxygen extraction layer and to introduce a high density of oxygen vacancies in the HfO2. In the LRS, the CF area is rather large and there is one re-oxidized vacancy gap for bipolar RS mode, then the gap increases to two or three vacancies and the CF is narrower than the LRS. For the unipolar RS mode, the number of paths in the HRS is much less than bipolar RS mode, this is to say, the unipolar RS mode is more effective than bipolar RS mode. In the second part, we have departed from the cell-based percolation model of oxide BD to propose a general framework to deal with the statistics of CF-based resistive switching which is composed of two elements: (i) a cell-based geometrical model to describe the dependence of the RS distribution on the defect generation in the CF; and (ii) a deterministic model for the reset and set dynamics to describe the relation of the defect generation with measurable variables such as the voltages and currents. The experimental results based on the Pt/HfO2/Pt sample for reset and set statistics have confirmed the validity of the general statistics method and the physical analytical model. In the third part of the thesis, the reset transition of HfO2-based RRAM structures has been investigated in detail with emphasis on revealing three-state resistive switching effects. A rather stable intermediate state is revealed and shown to have the properties of a Quantum wire (QW) by using three different electrical methods, RVS, SVS and CVS. This QW state is characterized by having conductance of the order of the quantum of conductance G_0~2e^2/h and represents a natural boundary between two different electron transport regimes. Three resistance states are revealed: (1) the LRS, corresponding to a wide CF with classical metallic properties; (2) a partial reset state in which the CF behaves as a QW and which can be as narrow as a single-defect conducting path; and (3) the HRS, in which a physical gap has been opened in the CF. A single transport channel QW with a conductance ~G0 represents the natural boundary between two different reset states. Two-step reset experiments consisting in a low-voltage CVS stage followed by a conventional RVS cycle has been designed to show the impact of the intermediate state on the reset voltage and reset current statistical distributions.

La industria micro y nanoelectrónica requiere de múltiples líneas de investigación para la introducción de continuas mejoras en los dispositivos en términos de rendimiento, funcionalidad y escalabilidad. Una de estas mejoras se centra en la idea de utilizar el fenómeno de la ruptura dieléctrica como principio de operación de dispositivos electrónicos. Esta idea ha generado mucho interés recientemente, especialmente en el campo de las memorias no volátiles. Así, la investigación realizada a lo largo de esta tesis doctoral gira en torno a la ruptura dieléctrica de óxidos de alta permitividad y la posterior conducción filamentaria observada en capacidades metal-aislante-semiconductor (MOS) y metal-aislante-metal (MIM). En concreto, este trabajo se ha centrado en el estudio de tres principales objetivos que han concluido con la publicación de varios artículos, los cuales han permitido presentar esta tesis como compendio de publicaciones. Por un lado, se muestran los resultados del estudio realizado en relación con el fenómeno de conmutación resistiva observado en capacidades MOS, poniendo especial interés en el fenómeno de Threshold Switching el cual ha sido analizado en términos del modelo de contacto puntual cuántico. Por otro lado, se describen los resultados obtenidos en relación con el estudio y exploración del efecto de campo sobre caminos de ruptura dieléctrica generados en estructuras MIM planares. Para ello se ha realizado el diseño, simulación, fabricación y caracterización de varios dispositivos específicos cuyas dimensiones críticas son del orden de pocos nanómetros. De la caracterización de estas estructuras se han obtenido resultados que muestran indicios del efecto de campo sobre dichos caminos. Por último, se analiza la estadística espacial y temporal de múltiples caminos de ruptura observados en el electrodo superior de capacidades MOS y MIM obtenidos a partir del estrés eléctrico aplicado sobre las mismas. En este sentido, se han desarrollado tres métodos de análisis de distribuciones estadísticas para detectar posibles desviaciones respecto a un proceso aleatorio espacial completo: el primero basado en las distancias entre filamentos vecinos de orden k; el segundo relacionado con la caracterización espacio-temporal de los filamentos; y por último un método en el que se han desarrollado expresiones para el estudio de las distribuciones estadísticas de las distancias y ángulos de los spots en relación a un punto fijo asociado a la punta de inyección de carga utilizada para la generación de los eventos. / Micro and nanoelectronics industry requires multiple lines of research for introducing continuous improvements in electronic devices in terms of performance, functionality and scalability. One of these improvements focuses on the idea of using the dielectric breakdown phenomenon as a principle of operation of these devices. This idea has generated much interest recently, especially in the field of non-volatile memories. Thus, the research done in this thesis focuses its attention around the dielectric breakdown phenomena and the subsequent filamentary conduction observed in metal-oxide-semiconductor (MOS) and metal-insulator-metal (MIM) devices with high dielectric permittivity. Specifically, this work focuses on the study of three main objectives which have resulted in the publication of several articles and this has allowed presenting the thesis as a compendium of publications. The study shows results in relation to the resistive switching phenomenon observed in MOS devices, with particular interest in the phenomenon of Threshold Switching described in terms of the quantum point contact model. Furthermore, results regarding the study of the field-effect on dielectric breakdown paths generated in planar MIM structures are also described. With this goal, it is shown the design, simulation, fabrication and characterization of several devices whose critical dimensions are in the order of a few nanometers. The characterization of these structures shows preliminary results that point in the direction of the expected field effect. Finally, the spatial and temporal statistics of multiple breakdown paths, observed in the top electrode of MOS and MIM capacitors as a result of the applied electrical stress, is analyzed. Three methods were developed to analyze statistical distributions for detecting possible deviations from a complete spatial random process. One is based on the distances between neighboring filaments of order k; the second one concerns the spatio-temporal characterization of the observed filaments; and finally a method is presented, in which expressions have been developed, for the study of the statistical distributions of the distances and angles of the spots relative to a fixed point, which is associated with the charge injection point used in the generation of events.

The optimal exploitation of the information provided by hyperspectral images requires the development of advanced image processing tools. Therefore, under the title Hyperspectral image representation and Processing with Binary Partition Trees, this PhD thesis proposes the construction and the processing of a new region-based hierarchical hyperspectral image representation: the Binary Partition Tree (BPT). This hierarchical region-based representation can be interpreted as a set of hierarchical regions stored in a tree structure. Hence, the Binary Partition Tree succeeds in presenting: (i) the decomposition of the image in terms of coherent regions and (ii) the inclusion relations of the regions in the scene. Based on region-merging techniques, the construction of BPT is investigated in this work by studying hyperspectral region models and the associated similarity metrics. As a matter of fact, the very high dimensionality and the complexity of the data require the definition of specific region models and similarity measures. Once the BPT is constructed, the fixed tree structure allows implementing efficient and advanced application-dependent techniques on it. The application-dependent processing of BPT is generally implemented through a specific pruning of the tree. Accordingly, some pruning techniques are proposed and discussed according to different applications. This Ph.D is focused in particular on segmentation, object detection and classification of hyperspectral imagery. Experimental results on various hyperspectral data sets demonstrate the interest and the good performances of the BPT representation

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquímcos miniaturizados, con énfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquímicos. Para conseguir este objetivo, está tesis está centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrías para microelectrodos y mejor fabricación y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturización de dispositivos electroquímicos está en la reducción de al superficie activa de los electrodos resultado en señales más pequeñas. Sin embargo, la introducción de técnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografía grabados seco y húmedo, deposición de metales o dieléctricos por métodos físicos o químicos o procesos térmicos rápidos se han convertido en una vía real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturación de dispositivos electroquímicos miniaturizados. Además el uso de herramientas computacionales basadas en métodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseño de estos dispositivos porque la quinética del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricación. El primer capítulo es una introducción a los fundamentos de la electroquímica, al diseño, a la fabricación y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera sección se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquímica. La segunda sección introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquímicos desarrollados en el capítulo 4. Finalmente la última sección cubre los materiales y métodos utilizados, incluyendo la microfabricación de los electrodos y las técnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capítulo comienza con la teoría del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuación, el modelo computacional de un único dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricación de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposición de oro y también por la combinación de grabado seco y metalización por deposición de oro mediante sputtering. El capítulo cierra con la caracterización electroquímica de los dos arrays, lo que permitió comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capítulo tres se dirige a la síntesis y fabricación de discos de electrodos de carbón para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbón están basados en la pirólisis de fotoresina. Esta técnica combina fotolitografía y procesos térmicos rápidos. Además las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposición química de dieléctricos, también los electrodos fueron físicamente y electroquímicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El último capítulo se centra en encontrar una aplicación a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicación escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante técnicas de prototipaje rápido, donde en cada caso una geometría diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento eléctrico de las pilas de combustible microbianas. / The aim of this thesis is to improve the performance of miniaturized electrochemical devices, with emphasis in microbial fuel cells and electrochemical sensors. To achieve this goal, this thesis focuses on the development of new electrode materials, new microelectrode geometries, and better fabrication and packaging processes. An important drawback in the miniaturization of electrochemical devices lies in that the reduction of the active area of the electrodes results in smaller signals. However, the introduction of silicon micromachining techniques such as photolithography, wet and dry etching, metal or dielectric coating by physical and chemical deposition or rapid thermal processes has become a realistic way to solve all the problems regarding the manufacturing of miniaturized electrochemical devices. In addition the use of computational tools based on finite element methods has helped extraordinarily in the design of these devices because both electrode kinetics and mass transport can be simulated and studied prior to fabrication. The first chapter is an introduction of the fundamentals of electrochemistry, design, fabrication and applications to develop the work described in this thesis. The first section focuses on explaining the fundamental aspects of electrochemistry. The second section fuel cells are introduced because it is the electrochemical device developed in chapter 4. Finally the last section covers the materials and methods used, including the microfabrication of the electrodes and the prototyping techniques used to fabricate the miniaturized microbial fuel cells. The second chapter begins with the theory of mass transport at fully-conducting micropillars. Following this, the computational model of a single domain is developed using COMSOL. The fabrication of fully-conducting micropillar array electrodes was achieved by gold electrodeposition and also by a combination of dry etching and sputtered gold deposition. The chapter closes with the electrochemical characterization of both arrays, which allowed to compare their response and found out which route was better. Chapter three addresses the synthesis and fabrication of carbon disk electrodes to detect mercury in aqueous samples. These carbon electrodes are based on the pyrolysis of photoresist. This technique combines photolithograpy and a rapid thermal process. Besides the active window of these electrodes was defined by the chemical deposition of dielectric layers, also the electrodes were physically and electrochemically characterized. Once these electrodes were completely studied they were used to detect mercury in a stagnant solution. The last chapter focuses on finding an application for the fully-conducting micropillar array electrodes. The application chosen was a miniaturized microbial fuel cell fabricated by rapid-prototyping techniqueswhere in each case a different geometry with the aim of find out if the use of micropillar array helps to improve the electrical performance of microbial fuel cells.

El objectiu d’aquesta tesis ha sigut l’estudi de ressonadors CMOS-MEMS monolíticament integrats per a la seva aplicació en transceptors de radio freqüència. En concret s’ha treballat sobre filtre y ressonadors de RF així com la seva caracterització. En el camp del filtres s’han investigat dos tipus de conceptes: el filtres series i els filtres paral·lels. Els filtre sèrie desenvolupats en aquesta tesi consten de dos tipus d’acoblament: acoblament mecànic, dintre dels quals s’han estudiat dos tipus d’acobladors (en forma de U i en forma de V) i l’acoblament electrostàtic. En els filtres mecànics el ample de banda es defineix amb el disseny de l’acoblador i el punt d’acoblament amb el ressonador mentre que en els filtre electrostàtics, en teoria, el ample de banda el fixa la diferencia de tensió entre els ressonadors. Els filtres en paral·lel, permeten aconseguir, gracies a la seva integració amb la circuiteria, una millor del rebuig fora de banda comparats amb els filtres anteriors. D’altra banda s’ha combinat el filtrat paral·lel i els filtres series per aconseguir un filtre dual. En el camp dels ressonador en el rang de VHF i UHF s’han dissenya fabricat i mesurat dos tipus de ressonador basat en la ressonància longitudinal de la estructura (LBAR): el LBAR millorat, al que se li han afegit dues masses en els seus extrem lliures, i que treballa a una freqüència de 250MHz i el LBAR hiperbòlic, capaç d’assolir freqüències al voltant dels 380MHz S’ha estudiat la caracterització dels elements ressonant d’aquesta tesis, transduits electrostàticament. S’ha proposat una nova topologia basada en la fabricació de quatre elèctrodes que permet eliminar per complert la capacitat paràsita en aquest tipus de transducció. / The objective of this thesis is the study of CMOS MEMS monolithically integrated resonators, for RF transceivers applications. In particular, it has focuses on design and characterization of RF resonators and filters. Two types of filter concepts have been investigated: series filtering and parallel filtering. The series filters are composed of two different coupling methods: mechanical couplings that are divided into two types of couplers (the U-coupler and the V-coupler), and the electrostatic coupling. In mechanical coupled resonator filters, the bandwidth is fixed through the coupler design and the selection of its coupling point with the resonator whereas in the electrostatic filters the voltage applied between the constituent resonators fixes the bandwidth. The parallel filter allows increasing the out of band rejection due to the integration with circuitry. Finally, the parallel filtering and series filtering have been combined to achieve a dual filter. In the field of RF resonators, two types of resonator based on longitudinal acoustic resonance have been designed, fabricated, and measured: The enhanced LBAR, that includes to masses at the free ends in order to increase the coupling area, works at 250MHz and the hyperbolic LBAR that is capable to reach 380MHz resonant frequency. The electrostatic actuated mad capacitive read MEM devices characterization has been studied. In addition a new four-electrode based topology has been propose in order to cancel the feedthrough current that exists in this type of transduction.

Avui dia, la identificació automàtica i unívoca d’objectes s’està imposant com a necessitat creixent a nivell global, degut al ràpid increment de la producció i del comerç mundial. En resposta, la identificació per radiofreqüència (RFID) està emergint com una alternativa viable i més evolucionada al codi de barres, i està sent utilitzada en una multitud d’aplicacions diferents, tal com el seguiment de paquets, els inventaris intel·ligents, el control d’accessos i el pagament sense contacte. Encara que la tecnologia RFID ha aconseguit entrar amb èxit en la nostra vida diària, oferint una solució convenient en moltes aplicacions, existeixen alguns reptes que estan frenant la seva difusió. Per exemple, l’etiquetatge de petits objectes metàl·lics necessita de més recerca, per tal d’obtenir etiquetes RFID més primes i petites, donat que actualment les etiquetes RFID per metall són més gruixudes i més cares que les etiquetes RFID convencionals. El disseny d’etiquetes RFID miniaturitzades amb una resposta independent de l’orientació és també un problema encara pendent. En altres casos, el context d’etiquetatge requereix maximitzar la distancia de lectura, encara que això impliqui augmentar les dimensions de l’etiqueta. Per tant, el disseny d’etiquetes RFID d’alta distancia de lectura és un altre repte interessant en la investigació sobre la tecnologia RFID. L’objectiu principal d’aquesta tesi és la recerca de solucions pràctiques als problemes mencionats, que contribueixin al desenvolupament de la tecnologia RFID, així com a la seva ulterior difusió en les aplicacions de la vida diària. En concret, aquest treball es focalitza en el disseny d’antenes per etiquetes passives de RFID a la banda UHF basades en ressonadors inspirats en el món dels metamaterials (ressonadors d’anells oberts i estructures derivades) com a elements radiants, explorant també solucions alternatives basades en altres estructures ressonants. / Nowadays, the automatic and univocal identification of items all around the world is becoming a growing necessity, as a consequence of the rapid increase of the global production and trade. In this regard, radio frequency identification (RFID) technology has been emerging as a suitable and more evolved alternative to barcodes, being already used in a multitude of applications in everyday life, such as items tracking through the supply chain, smart inventory, access control and contactless payment. However, although RFID has achieved entering into the mainstream of technology, already providing a cost-effective solution in many scenarios, several challenges are still waiting response. Among these, the identification of small metallic objects still requires further efforts for obtaining thinner and smaller RFID tags, being the current on-metal tagging solutions thicker and much more expensive than conventional RFID tags. Also, the design of miniaturized RFID tags presenting uniform (or quasi-uniform) reading pattern, which would allow identification of small objects independently from their orientation, is still troublesome. On the other hand, some applications require maximizing the reading distance, even at the expense of the tag dimensions, so that the design of RFID tags with optimized reading distance is another interesting research subject within the frame of RFID technology. The main objective of this thesis is to explore solutions to the aforementioned problems, thus contributing to the advance of RFID technology, and to its further extension to everyday life applications. To this end, this work is focused on the antenna design for passive RFID tags working at the UHF frequency band (passive UHF-RFID tags), exploring the use of metamaterial-inspired resonators (i.e., the split-ring resonator and its derived structures) as radiating elements, and also considering alternative solutions based on other kinds of resonant structures.

Resums pendents

En los últimos años, el relaying ha surgido como una poderosa técnica para mejorar la cobertura y el rendimiento de las redes inalámbricas. En consecuencia, la creciente demanda de servicios basados en redes inalámbricas con relays, ha conducido al desarrollo de técnicas de networking nuevas y eficientes. Estas técnicas pueden ser utilizadas en diferentes capas de la pila de protocolos y pueden ser optimizadas para cumplir diversos objetivos, como la maximización del rendimiento, mejora de cobertura, etc. en el marco de las redes existentes. En esta tesis se presenta una serie de contribuciones para las técnicas de networking, utilizando una variedad de herramientas a fin de maximizar el rendimiento de la red y satisfacer las demandas de los usuarios. Para hacer contribuciones efectivas y concretas, hemos seleccionado problemas exigentes en varios aspectos de las técnicas avanzadas de networking en redes inalámbricas y presentamos soluciones hábiles a éstos. En particular, hacemos uso de diferentes herramientas como network coding, técnicas de transmisión cognitiva y teoría de juegos, con el fin de diseñar soluciones para las redes inalámbricas modernas con relays. Las principales técnicas de networking, para diferentes capas de la pila de protocolos, presentadas en esta tesis son las siguientes. En primer lugar, a nivel de capa física, maximizamos el rendimiento de la red mediante la herramienta de network coding en la capa física (PNC) basada en el método compute and forward (CF) en redes con relays. Se sabe que las tasas máximas alcanzables en la transmisión basada en CF están limitadas debido a las aproximaciones de los canales en el relay. Proponemos el Integer Forcing Precoder (IFP), para superar esta limitación. Con la ayuda del IFP, demostramos una posible implementación de la prometedora técnica de CF, que allanaría el camino para un diseño avanzado del precodificador para maximizar el rendimiento de la red. En segundo lugar, en la capa de enlace de la red, maximizamos el rendimiento con el uso de dos herramientas diferentes: (a) network coding junto con una optimización cross-layer condicionada a la calidad de experiencia (QoE), (b) técnicas de transmisión cognitiva. En (a), utilizamos el network coding en la capa de enlace, en coherencia con la optimización cross-layer y demostramos la existencia de compromisos importantes entre rendimiento y QoE alcanzable. Por otra parte, proponemos utilizar factores realistas como la ubicación de los usuarios finales en la red de relays para optimizar el servicio obtenido en presencia de tales compromisos. En (b), utilizamos las técnicas de transmisión cognitiva para analizar la mejora en el rendimiento de una red inalámbrica particular, el sistema de satélites duales (DSS). Además, presentamos un análisis taxonómico exhaustivo de las diferentes técnicas cognitivas en DSS. Con la ayuda de este trabajo, proponemos posibles diseños para las técnicas "inteligentes" de networking, las cuales constituyen una plataforma para maximizar el rendimiento de futuras redes inalámbricas con relays. En tercer lugar, en la capa de transporte-aplicación, maximizamos no sólo el rendimiento, si no también una utilidad conjunta compuesta de rendimiento, QoE y coste del servicio, utilizando herramientas de la teoría de juegos. Consideramos una aplicación de video transmitida por una red inalámbrica en la que las usuarios que compiten tratan de maximizar sus utilidades. Modelamos y predecimos los puntos de equilibrio alcanzados usando repetidas formulaciones del juego, teniendo en cuenta factores reales como la tolerancia de los usuarios y el criterio óptimo de Pareto. Con la ayuda de este trabajo, se demuestra el potencial del uso de técnicas repetidas de teoría de juegos en redes inalámbricas, prometiendo así mejorar el rendimiento del sistema existente de manera categórica. En general, esta tesis presenta propuestas prácticas y efectivas junto con un análisis holístico para diferentes aspectos en el desarrollo de técnicas modernas de networking para redes inalámbricas con relays. / In the recent years, relaying has emerged as a powerful technique to improve the coverage and throughput of wireless networks. Consequently, the growing demands of the wireless relay networks based services has led to the development of novel and efficient networking techniques. These techniques can be used at different layers of the protocol stack and can be optimized to meet different objectives like throughput maximization, improving coverage etc. within existent networking framework. This thesis presents a series of contributions towards the networking techniques using a variety of tools in order to maximize the throughput of the network and satisfy the user demands. To make effective and concrete contributions, we have selected challenging problems in various aspects of advanced wireless networking techniques and presented neat solutions to these problems. In particular, we make use of the different tools like network coding, cognitive transmission techniques and game theory in order to design networking solutions for modern wireless relay networks. The main contributions of this thesis towards networking techniques at different layers of the protocol stack are as follows. Firstly, at the physical layer, we maximize the throughput of the network using the tool of physical layer network coding (PNC) based on compute and forward (CF) in relay networks. It is known that the maximum achievable rates in CF-based transmission are limited due to the channel approximations at the relay. We propose the integer forcing precoder (IFP), which bypasses this maximum rate achievability limitation. With the help of IFP, we demonstrate a possible implementation of the promising scheme of CF thereby paving the way for an advanced precoder design to maximize network throughput. Secondly, at the link-network layer, we maximize throughput with the use of two different tools: (a) network coding along with Quality of Experience (QoE) driven cross-layer optimization and (b) cognitive transmission techniques. For (a), we use network coding at link layer in coherence with cross-layer optimization and prove the existence of crucial trade-offs between throughput and achievable QoE. Moreover, it is proposed to use the realistic factors such as positioning of the end users in the relay network to optimize the service obtained in presence of such trade-offs. For (b), we use the cognitive transmission techniques to analyze the improvement in throughput of a particular wireless network, namely Dual Satellite systems (DSS). Moreover, an exhaustive taxonomic analysis of the different cognitive techniques in DSS is presented. With the help of this work, the possible designs for 'intelligent' networking techniques are proposed, which form a platform for maximizing the throughput performance of future wireless, relay networks. Thirdly, at the transport-application layer, we maximize not only the throughput but a joint utility comprised of throughput, QoE and cost of service, with the use of game theoretical tools. We consider a video application relayed over a wireless network and competing users trying to maximize their utilities. We model and predict the equilibriums achieved using repeated game formulations taking into account the realistic factors such as tolerance of the users and pareto optimality. With the help of this work, the potential of use of repeated game theoretical tools in wireless networks is proved which also promises to improve the existing system performance categorically. Overall, this thesis presents effective and practical propositions along with holistic analysis towards different aspects of development of modern networking techniques for wireless relay networks.