The aim of this thesis is studying and characterizing a ball burnishing process assisted with vibrations. By introducing vibrations in the overall process, results are enhanced if compared to the ones derived from a conventional ball burnishing operation. The main contribution of this research is exploring the effectiveness of a special vibrations-assisted ball-burnishing tool, with no current commercial homologous. The first step of the research was obtaining a model to predict the dynamic behavior of the tool's plates, taking into account the physical analysis of the vibration of rigid thin plates. The results were used to determine the most relevant features of the vibrations-assisted tool, and its nominal working frequency. From here, a functional prototype was manufactured, and was used to perform the experimental tests on specimens made of two materials: aluminum A92017 and steel G10380. To evaluate the benefits of the process, the following quality indicators were taken into account: average surface roughness, micro-hardness profile and compressive residual stresses induced in the tested specimens. Furthermore, the additional forces and energy added to the process due to the assistance of the vibrations were calculated. An experimental study of the footprint shape after burnishing was then carried out. Tests were performed in two conditions along the whole thesis: conventional burnishing and assisted by vibrations. The results achieved in both conditions were / El objetivo fundamental planteado en esta tesis es el estudio del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones. La introducción de las vibraciones se realiza para mejorar los resultados que se obtienen en un bruñido convencional, siendo ésta una aportación novedosa, ya que no existe en el mercado ninguna herramienta con características homólogas. Se ha partido de la obtención de un modelo para predecir el comportamiento dinámico de las placas que conforman la herramienta, a partir del análisis físico del fenómeno de la vibración de una placa delgada rígida, el cual ha posibilitado predeterminar las características más relevantes de la herramienta y la frecuencia a la que trabajará la misma. A partir de aquí se ha fabricado un prototipo funcional con el que se realizarán y se presentarán las pruebas experimentales en piezas de dos materiales: aluminio A92017 y acero G10380. Para evaluar las bondades del proceso se han tomado como indicadores de la calidad del mismo: la rugosidad superficial, la micro-dureza del perfil bruñido y las tensiones residuales compresivas introducidas en las piezas ensayadas. Además, se calculan las fuerzas adicionales aportadas al proceso de bruñido, así como la energía añadida a éste, producto de la asistencia de las vibraciones. En una última etapa se lleva a cabo un estudio experimental de la forma de la huella que deja la pasada de bruñido. Se efectúan ensayos de bruñido convencional y asistido con vibraciones y se analizan los resultados alcanzados en ambas condiciones. Al finalizar, se llegan a conclusiones importantes sobre el proceso de bruñido con bola asistido con vibraciones, y sobre las hipótesis y objetivos que establecieron los puntos de partida de esta tesis. Además, se realizan toda una serie de recomendaciones acerca de nuevos estudios que podrían abordarse en un futuro inmediato, cuyas bases fundamentales quedan establecidas en este trabajo.

In recent years the detection and diagnosis of faults in devices and processes has been a field of research and development that has been addressed from multiple perspectives: control engineering, artificial intelligence and statistics among others. Within each with a number of techniques: expert systems , neural networks, case-based reasoning , signal analysis, observers equations analytical redundancy based on consistency, but only considering the presence of multiple failures and no diagnosis. In this thesis the detection and diagnosis of multiple faults in dynamic systems using nonlinear analysis for the detection and diagnosis for structured waste components will be studied. The study includes the development of a mathematical model of a gas turbine mini SR -30 and implementation of algorithms for detection and diagnosis of multiple faults in the system. The detection and diagnosis of multiple faults is more complex than the detection and diagnosis of single faults. This is not only because it increases the number of failures, but also because of the emergence of new phenomena that should be considered, such as a combination or interaction of faults, compensation, and the combinatorial explosion of possible failure scenarios. The problem of multiple failures is important, since the single fault assumption can lead to incorrect diagnoses when multiple faults occur. / En los últimos años la detección y el diagnóstico de fallos en dispositivos y en procesos ha sido un campo de investigación y desarrollo que se ha podido abordar desde múltiples perspectivas: la ingeniería de control, la inteligencia artificial y la estadística entre otros. Dentro de cada una de ellas con multitud de técnicas: sistemas expertos, redes neuronales, razonamiento basado en casos, análisis de señales, observadores, ecuaciones de redundancia analítica, diagnóstico basado en consistencia, pero considerando la presencia de fallos únicos y no múltiples. En esta tesis se estudiará la detección y el diagnóstico de fallos múltiples en sistemas dinámicos utilizando análisis de componentes no lineal para la detección y los residuos estructurados para el diagnóstico. El estudio incluye el desarrollo de un modelo matemático de una mini turbina de gas SR-30 y en la implementación de algoritmos de detección y diagnóstico de fallos múltiples en dicho sistema. La detección y el diagnóstico de fallos múltiples ha resultado ser más complejo que la detección y el diagnóstico de fallos únicos. Esto no es sólo porque aumenta el número de fallos, sino también debido a la aparición de nuevos fenómenos que deben ser considerados, tales como una combinación o la influencia mutua de los fallos, la compensación, y la explosión combinatoria de posibles escenarios de fallos. El problema de fallos múltiples es importante, ya que el supuesto de un solo fallo puede llevar a diagnósticos incorrectos cuando fallos múltiples ocurren.

La present tesi doctoral estudia els inversors trifàsics multinivell del tipus denominat de díodes de fixació (diode-clamped converters). Aquests convertidors poden generar tres o més nivells de tensió a cada fase de sortida, i normalment s'apliquen a sistemes de gran potència ja que poden treballar amb tensions majors que els inversors clàssics. L'anàlisi es centra fonamentalment en la topologia de tres nivells, tot i que també es realitzen contribucions per a convertidors de més nivells. Els principals objectius són la proposta de nous algorismes de modulació vectorial PWM de processat ràpid, l'estudi i la compensació dels efectes dels desequilibris de les tensions dels condensadors del bus de continua, i l'anàlisi de llaços de control avançat.S'han desenvolupat diversos models que han permès obtenir resultats de simulació de les tècniques de modulació i control proposades. A més, gràcies a l'estada d'un any de l'autor al Center for Power Electronics Systems (CPES) a Virginia Tech, USA, la tesi també inclou resultats experimentals que consoliden les conclusions i metodologies presentades. Les principals contribucions es resumeixen a continuació. Es presenta un nou algorisme de modulació vectorial PWM que aprofita simetries del diagrama vectorial per a reduir el temps de processat. S'analitzen i es quantifiquen les oscil·lacions de tensió de baixa freqüència que apareixen en el punt central dels condensadors del convertidor de tres nivells. Aquesta informació permet dimensionar els condensadors donades les especificacions d'una determinada aplicació.L'algorisme de modulació també s'aplica a convertidors de més nivells. Pel cas concret del convertidor de quatre nivells, es comprova l'existència de corrents continus en els punts mitjos dels condensadors que fan que els sistema sigui inestable. Es determinen gràficament les zones d'inestabilitat. Es presenta un nou i eficient algorisme de modulació vectorial feedforward en el convertidor de tres nivells que és capaç de generar tensions trifàsiques de sortida equilibrades, malgrat l'existència de desequilibris en les tensions dels condensadors.S'estudien els efectes negatius de càrregues lineals desequilibrades i càrregues no lineals en el control de les tensions dels condensadors. Es justifica que l'existència d'un quart harmònic en els corrents de càrrega pot inestabilitzar el sistema. És determina la màxima amplitud tolerable d'aquest harmònic.S'estudia la millora en l'equilibrat de les tensions d'una connexió de dos convertidors de tres nivells al mateix bus de continua (back-to-back connection). Un exemple d'aplicació pràctica és la conversió AC/DC/AC per a l'accionament de motors d'alterna treballant amb factor de potència unitari.Finalment s'aplica un controlador òptim al convertidor de tres nivells treballant com a rectificador elevador (boost). El llaç de control LQR (Linear Quadratic Regulator) es simplifica donat que la tasca d'equilibrat de les tensions dels condensadors es dur a terme en el mateix modulador.

La tesi presenta una nova teoria i una metodologia per a la verificació formal de propietats de seguretat en sistemes temporitzats. El correcte funcionament d'aquests sistemes no només depèn d'un conjunt de propietats funcionals, sinó també de certes suposicions sobre els retards dels components del sistema i els temps de resposta de l'entorn en el que opera el sistema. La verificació d'aquest tipus de sistemes típicament implica la resolució de varis problemes computacionalment molt complexes. En concret, la explosió combinatòria d'estats es fa especialment palesa en incloure la dimensió temporal en el problema.La teoria en que es fonamenta el mètode de verificació proposat estén els mètodes simbòlics convencionals basats en BDDs, per al seu ús en la verificació de sistemes temporitzats modelats usant sistemes de transicions temporitzats. La teoria es basa en el paradigma de les relacions temporals relatives, que enlloc de considerar els temps exactes d'ocurrència dels esdeveniments, considera l'efecte dels retards en termes d'ordenacions relatives entre esdeveniments. Per exemple, per garantir que una carrera no se propaga en un circuit digital, sovint és suficient comprovar que cert senyal commuta abans que un altre, enlloc d'identificar exactament els instants en que ambdós senyals commuten. Fins i tot, no és necessari calcular la informació temporal per al sistema complet en el seu conjunt, enlloc d'això es pot calcular localment per a la part del sistema relacionada amb la demostració d'una determinada propietat. Això és possible gràcies a una observació crucial:que el conjunt d'execucions d'un sistema de transicions es pot cobrir mitjançant un conjunt d'ordres parcials. En conseqüència, per demostrar una propietat només és necessari considerar un subconjunt dels esdeveniments del sistema i l'anàlisi temporal pot fer-se de forma molt eficient.Els mètodes convencionals per a la verificació de sistemes temporitzats es basen en el càlcul exacte de l'espai d'estats temporitzat del sistema com a primer pas de l'anàlisi. Tot i que s'han proposat tècniques eficients per a mitigar la complexitat associada, els mètodes d'anàlisi simbòlic no són fàcilment aplicables. Conseqüentment, el problema de l'explosió combinatòria de l'espai d'estats temporitzat sovint limita la aplicació pràctica dels mètodes esmentats a sistemes de tamany moderat.Per altra banda, el mètode proposat a la tesi es basa en un refinament incremental de l'espai d'estats no temporitzat del sistema, de forma que la informació temporal només s'incorpora al sistema quan aquesta es fa necessària. La informació temporal es deriva a partir d'una anàlisi temporal eficient sobre petits conjunts d'esdeveniments. L'espai d'estats refinat es captura sota el model dels sistemes de transicions mandrosos, que permeten la representació eficient del domini temporal d'un sistema tot usant tècniques simbòliques convencionals. En conseqüència, el mètode pot aplicar-se potencialment a sistemes de tamany més gran o amb més nivell de detall, que els sistemes que poden verificar-se mitjançant mètodes similars. Addicionalment, el fet que el mètode proposat sigui incremental proporciona una bona forma d'obtenir al menys resultats parcials fins i tot en sistemes pels que un resultat complet de verificació fóra excessivament complex de calcular.Un aspecte clau del mètode de verificació proposat es que no només comprova la correctesa d'un sistema temporitzat. Si el sistema és correcte, la verificació proporciona un conjunt suficient de relacions temporals relatives que ho demostren. Pel contrari, si el sistema és incorrecte, la verificació proporciona una traça d'error com a contraexemple. L'aspecte més interessant de tota aquesta informació és la seva utilitat al llarg del cicle de disseny d'un sistema. Aquest fet permet mitigar la tradicional distància entre la verificació i el disseny, fet que constitueix un altre aspecte diferencial del mètode de verificació proposat envers a altres mètodes de verificació equivalents.El mètode de verificació proposat s'ha implementat completament en una eina de CAV (Verificació Assistida per Computador) anomenada TRANSYT. L'eina permet manipular sistemes jeràrquics i modulars que poden interoperar mitjançant diversos mecanismes de comunicació. TRANSYT ha demostrat la seva funcionalitat i la validesa del mètode de verificació proposat, mitjançant la verificació de diversos circuits asíncrons temporitzats amb més de 10E+6 estats no temporitzats. Els experiments realitzats inclouen la verificació de: descomposicions de portes lògiques complexes en circuits asíncrons casi-independents-de-la-velocitat, circuits de lògica dominó, sistemes amb comportaments basats en polsos, circuits optimitzats per a velocitat mitjançant suposicions temporals, etc. Addicionalment, s'ha combinat el mètode de verificació proposat amb mètodes de verificació composicional per tal d'atacar la verificació de sistemes temporitzats complexes. En aquesta línia, s'han usat tècniques d'abstracció, raonament del tipus suposició-garantia i inducció matemàtica per tal de demostrar la correctesa de l'arquitectura IPCMOS. Aquesta és una arquitectura segmentada i escalable que permet la interconnexió de subsistemes síncrons amb diferents freqüències de rellotge.Gràcies al caire teòric del mètode de verificació proposat, el seu potencial d'aplicació cobreix un rang de sistemes molt més gran que els esmentats anteriorment, com per exemple: circuits de propòsit específic dissenyats a nivell de transistor per tal d'explotar els límits tecnològics i aconseguir un major rendiment, estructures digitals complexes on la sincronització és crucial (e.g. MOS dinàmic), sistemes asíncrons i del tipus GALS (Globalment Asíncron Localment Síncron), sistemes de temps real, etc. / La tesis presenta una nueva teoría y una metodología para la verificación formal de propiedades de seguridad en sistemas temporizados. El correcto funcionamiento de estos sistemas no sólo depende de un conjunto de propiedades funcionales sino también de ciertas suposiciones sobre los retardos de los componentes del sistema y los tiempos de respuesta del entorno en el que opera el sistema. La verificación de este tipo de sistemas típicamente implica la resolución de varios problemas computacionalmente muy complejos. En concreto, la explosión combinatoria de estados se hace especialmente patente al incluir la dimensión temporal en el problema.La teoría en que se sustenta el método de verificación propuesto extiende los métodos simbólicos convencionales basados en BDDs, para su uso en la verificación de sistemas temporizados modelados usando sistemas de transiciones temporizados. La teoría se basa en el paradigma de las relaciones temporales relativas, que en lugar de considerar los tiempos exactos de ocurrencia de los eventos, considera el efecto de los retardos en términos de ordenaciones relativas entre eventos. Por ejemplo, para garantizar que una carrera no se propaga en un circuito digital, a menudo es suficiente comprobar que cierta señal conmuta antes que otra, en lugar de identificar exactamente los instantes en que ambas señales conmutan. Es más, no es necesario computar la información temporal para el sistema completo en su conjunto, si no sólo localmente para la parte del sistema relacionada con la demostración de una determinada propiedad. Esto es posible gracias a una observación crucial: que el conjunto de ejecuciones de un sistema de transiciones puede cubrirse por un conjunto de órdenes parciales. En consecuencia, para la demostración de una propiedad sólo es necesario considerar un subconjunto de los eventos del sistema y el análisis temporal puede hacerse de forma muy eficiente. Los métodos convencionales para la verificación de sistemas temporizados se basan en el cálculo exacto del espacio de estados temporizado del sistema como primer paso del análisis. Aunque se han propuesta técnicas eficientes para paliar la complejidad asociada, los métodos de análisis simbólico no son fácilmente aplicables. Consecuentemente, el problema de la explosión combinatoria del espacio de estados temporizado a menudo limita la aplicación práctica de dichos métodos a sistemas de tamaño moderado.Por el contrario, el método propuesto en la tesis se basa en un refinamiento incremental del espacio de estados no temporizado del sistema, de forma que la información temporal sólo se incorpora al sistema cuando ésta se hace necesaria. Dicha información temporal se deriva a partir de un análisis temporal eficiente sobre pequeños conjuntos de eventos. El espacio de estados refinado se captura bajo el modelo de los sistemas de transiciones perezosos, que permiten la representación eficiente del dominio temporal de un sistema usando técnicas simbólicas convencionales. En consecuencia, el método puede aplicarse potencialmente a sistemas de mayor tamaño o con mayor nivel de detalle, que los sistemas que pueden verificarse con métodos similares. Adicionalmente, la naturaleza incremental del método propuesto proporciona una buena forma de obtener al menos resultados parciales incluso en sistemas para los cuales un resultado completo de verificación seria excesivamente complejo de calcular.Un aspecto clave del método de verificación propuesto es que no sólo comprueba la corrección de un sistema temporizado. Si el sistema es correcto, la verificación proporciona un conjunto suficiente de relaciones temporales relativas que lo demuestran. Por el contrario, si el sistema es incorrecto, la verificación proporciona una traza de error a modo de contraejemplo. El aspecto más interesante de toda esta información es su utilidad a lo largo del ciclo de diseño de un sistema. Este hecho permite mitigar la tradicional distancia entre la verificación y el diseño en sí, lo que constituye otro aspecto diferencial del método de verificación propuesto frente a otros métodos de verificación equivalentes.El método de verificación propuesto se ha implementado completamente en una herramienta de CAV (Verificación Asistida por Computador) llamada TRANSYT. La herramienta permite manipular sistemas jerárquicos y modulares los cuales pueden interoperar mediante varios mecanismos de comunicación. TRANSYT ha demostrado su funcionalidad así como la validez del método de verificación propuesto, mediante la verificación de diversos circuitos asíncronos temporizados con más de 10E+6 estados no temporizados. Los experimentos realizados incluyen la verificación de: descomposiciones de puertas lógicas complejas en circuitos asíncronos casi-independientes-de-la-velocidad, circuitos de lógica dominó, sistemas con comportamientos basados en pulsos, circuitos optimizados para velocidad mediante suposiciones temporales, etc. Adicionalmente, se ha combinado el método de verificación propuesto con métodos de verificación composicional con el fin de atacar la verificación de sistemas temporizados complejos. En esta línea, se han usado técnicas de abstracción, razonamiento del tipo suposición-garantía e inducción matemática para demostrar la corrección de la arquitectura IPCMOS. Ésta es una arquitectura segmentada y escalable que permite la interconexión de subsistemas síncronos con diferentes frecuencias de reloj.Gracias a la naturaleza teórica del método de verificación propuesto, su potencial de aplicación cubre un rango de sistemas mucho mayor a los citados anteriormente, como por ejemplo: circuitos de propósito específico diseñados a nivel de transistor para explotar los límites tecnológicos en pro de un mayor rendimiento, estructuras digitales complejas en las que la sincronización es crucial (e.g. MOS dinámico), sistemas asíncronos y del tipo GALS (Globalmente Asíncrono Localmente Síncrono), sistemas de tiempo real, etc. / The thesis presents a new theory and methodology for the formal verification of safety properties in timed systems. The correct operation of such systems not only depends on a set of functional properties but also on certain assumptions about the delays of the components of the system and the response times of the environment in which the system operates. The verification of this type of systems typically involves several computationally hard problems. In particular, the combinatorial state explosion problem becomes exacerbated by the time dimension.The theory that supports the proposed verification approach extends the conventional BDD-based symbolic methods to the verification of timed systems, modeled by means of timed transition systems. The theory is based on the relative timing paradigm, which instead of considering exact time differences in the occurrence of events, considers the effect of delays in terms of relative orderings between events. For example, in order to guarantee that a race is not propagated in a digital circuit, it is often sufficient to check that certain signal switches before another, instead of identifying the exact instants of time in which both signals switch. Moreover, the timing information does not need to computed for the overall system, but only locally for the part of the system involved in the proof or disproof of a given property. This is possible thanks to a crucial observation, that the set of executions of a transition system can be covered by a set of partial orders. As a consequence, only a subset of the events of the system is involved in the proof of a property and the timing analysis can be carried out very efficiently. Conventional methods for the verification of timed systems rely on the computation of the exact timed state space of the system as the first step of the analysis. Although efficient techniques have been devised to overcome the complexity issue (e.g. difference bound matrices), symbolic methods cannot be easily applied. Thus, the combinatorial time-state explosion problem often limits the applicability of such methods to moderate-size systems. Instead, the approach proposed in the thesis relies on an incremental refinement of the untimed state space of the system, so that timing information is incorporated as soon as it is needed. The timing information is derived by an efficient off-line timing analysis over small sets of events. The refined state space is captured under the model of lazy transition system, which allows an efficient representation of the timed domain using conventional symbolic methods. As a consequence, the approach can be potentially applied to bigger systems or to systems with more level of detail, than those that can be handled by similar methods for the verification of timed systems. Moreover, the incremental nature of the approach provides a good way to obtain at least partial results even on systems for which complete solutions could be too complex to compute. A key feature of the proposed verification approach is that not only proves or disproves the correctness of a timed system. If the system is correct the set of relative timing relations used for the proof are provided. Such relations constitute a set of sufficient timing constraints that guarantee the correctness of the system. On the other hand, if the system is incorrect, a counterexample failure trace is provided. The most important aspect of all this feedback is that it can be used as valuable back-annotation information along the design process.This feature, which allows to bridge the gap between verification and design, constitutes another differential aspect of our verification approach when compared to other equivalent verification methods. The verification approach has been fully implemented in an experimental CAV tool called TRANSYT. The tool can handle hierarchical and distributed modular systems which can inter-operate by a variety of communication mechanisms. TRANSYT has successfully proved its functionality as well as the validity of the overall verification approach, by verifying a number of timed asynchronous circuits with up to more than 10E+6 untimed states.The experiments cover, for example, the verification of: complex-gate decompositions in quasi-speed-independent asynchronous circuits, delay-reset domino circuits, pulse-based systems, circuits optimized for speed using timing assumptions, etc. Additionally, compositional verification methods have been combined with the basic verification approach in order to tackle the size/complexity issues involved in the verification of complex timed systems. Thus, abstractions, assume-guarantee reasoning and mathematical induction have been used to prove the correctness the IPCMOS architecture. It is a scalable pipelined architecture which is aimed to the interconnection of different clock zones in a system. Thanks to the rather theoretical nature of the proposed verification approach, its potential applicability covers a wider range of systems than those cited above, such as: custom transistor-level circuits that exploit the technology limits for performance, complex digital structures where synchronization is a crucial issue (e.g. dynamic MOS), asynchronous and GALS-type systems, real-time systems, etc.

Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) is a multi-static radar using navigation signals as signals of opportunity. It provides wide-swath and improved spatio-temporal sampling over current space-borne missions. The lack of experimental datasets from space covering signals from multiple constellations (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) at dual-band (L1 and L2) and dual-polarization (Right Hand Left Hand Circular Polarization: RHCP and LHCP), over the ocean, land and cryosphere remains a bottleneck to further develop these techniques. 3Cat-2 is a 6 units (3 x 2 elementary blocks of 10 x 10 x 10 cm3) CubeSat mission ayming to explore fundamentals issues towards an improvement in the understanding of the bistatic scattering properties of different targets. Since geolocalization of specific reflections points is determined by the geometry only, a moderate pointing accuracy is still required to correct for the antena pattern in scatterometry measurements. 3Cat-2 launch is foreseen for the first quarter 2016 into a Sun-Synchronous orbit of 510 km height using a Long March II D rocket. This Ph.D. Thesis represents the main contributions to the development of the 3Cat-2 GNSS-R Earth observation mission (6U CubeSat) including a novel type of GNSS-R technique: the reconstructed one. The desing, development of the platform, and a number of ground-based, airborne and stratospheric balloon experiments to validate the technique and to optimize the instrument. In particular, the main contributions of this Ph.D. thesis are: 1) A novel dual-band Global Navigation Satellite Systems Reflectometer that uses the P(Y) and C/A signals scattered over the sea surface to perform highly precise altimetric measurements (PYCARO). 2) The first proof-of-concept of PYCARO was performed during two different ground-based field experiments over a dam and over the sea under different surface roughness conditions. 3) The scattering of GNSS signals over a water surface has been studied when the receiver is at low height, as for GNSS-R coastal altimetry applications. The precise determination of the local sea level and wave state from the coast can provide useful altimetry and wave information as "dry" tide and wave gauges. In order to test this concept an experiment has been conducted at the Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) wave channel for two synthetic "sea" states. 4) Two ESA-sponsored airborne experiments were perfomed to test the precision and the relative accuracy of the conventional GNSS-R. 5) The empirical results of a GNSS-R experiment on-board the ESA-sponsored BAXUS 17 stratospheric balloon campaign performed North of Sweden over boreal forests showed that the power of the reflected signals is nearly independent of the platform height for a high coherent integration time. 6) An improved version of the PYCARO payload was tested in Octover 2014 for the second time during the ESA-sposored BEXUS-19,. This work achieved the first ever dual-frequency, multi-constellation GNSS-R observations over boreal forests and lakes using GPS, GLONASS and Galileo signals. 7) The first-ever dual-frequency multi-constellation GNSS-R dual-polarization measurements over boreal forests and lakes were obtained from the stratosphere during the BEXUS 19 using the PYCARO reflectometer operated in closed-loop mode. / Global Navigation Satellite Systems Reflectometry (GNSS-R) es una técnica de radar multi-estático que usa señales de radio-navegación como señales de oportunidad. Esta técnica proporciona "wide-swath" y un mejor sampleado espacio-temporal en comparación con las misiones espaciales actuales. La falta de datos desde el espacio proporcionando señales de múltiples constelaciones (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) en doble banda (L1 y L2) y en doble polarización (RHCP y LHCP) sobre océano, tierra y criosfera continua siendo un problema por solucionar. 3Cat-2 es un cubesat de 6 unidades con el objetivo de explorar elementos fundamentales para mejorar el conocimiento sobre el scattering bi-estático sobre diferentes medios dispersores. Dado que la geolocalización de puntos de reflexión específicos está determinada solo por geometría, es necesario un requisito moderado de apuntamiento para corregir el diagrama de antena en aplicaciones de dispersometría. El lanzamiento del 3Cat-2 será en Q2 2016 en una órbitra heliosíncrona usando un cohete Long March II D. Esta tesis representa las contribuciones principales al desarrollo del satélite 3Cat2 para realizar observación de la tierra con GNSS-R incluyendo una nueva técnica: "the reconstructed-code GNSS-R". El diseño, desarrollo de la plataforma y un número de experimentos en tierra, desde avión y desde globo estratosférico para validar la técnica y optimizar el instrumento han sido realizados. En particular, las contribuciones de esta Ph.D. son: 1) un novedoso Global Navigation Satellite Systems Reflectometer que usa las señales P(Y) y C/A después de ser dispersadas sobre la superficie del mar para realizar medidas altimétricas muy precisas. (PYCARO). 2) La primera prueba de concepto de PYCARO se hizo en dos experimentos sobre un pantano y sobre el mar bajo diferentes condiciones de rugosidad. 3) La disperión de las señales GNSS sobre una superfice de agua ha sido estudiada para bajas altitudes para aplicaciones GNSS-R altimétricas de costa. La determinación precisa del nivel local del mar y el estado de las olas desde la costa puede proporcionar información útil de altimetría e información de olas. Para hacer un test de este concepto un experimento en el Canal d'Investigació i Experimentació Marítima (CIEM) fue realizado para dos estados sintéticos de rugosidad. 4) Dos experimentos en avión con esponsor de la ESA se realizaron para estudiar la preción y la exactitud relativa de cGNSS-R. 5) Los resultados empíricos del experimento GNSS-R en BEXUS 17 con esponsor de la ESA realizado en el norte de Suecia sobre bosques boreales mostró que la potencia reflejada de las señales es independiente de la altitud de la plataforma para un tiempo de integración coherente muy alto. 6) Una versión mejorada del PYCARO fue testeada en octubre del 2014 por segunda vez durante el BEXUS 19 que también fue patrocidado por la ESA. Este trabajo proporcionó las primeras medidas GNSS-R sobre bosques boreales en doble frecuencia usando varias constelaciones GNSS. 7) Las primeras medidas polarimétricas (RHCP y LHCP) de GNSS-R sobre bosques boreales también fueron conseguidas durante el experimento BEXUS 19.

Desarrollar una técnica de control predictivo (MPC) aplicado a modelos borrosos Takagi-Sugeno (TS), haciendo uso de los conceptos de estabilidad de Lyapunov y las funciones contractivas.

Multiphase and multicomponent flows are frequently encountered in the cooling applications due to combined heat transfer and phase change phenomena. Two-fluid and homogeneous mixture models are chosen to numerically study these flows in the cooling phenomena. Therefore this work is divided in two main parts. In the first part, a two-fluid model algorithm for free surface flows is presented. The two fluid model is usually used as a tool to simulate dispersed flow. With its extension, it may also be applied to large interface (separated) flow. In the second part, the homogeneous mixture model for the multicomponent flow is employed to solve evaporation problems. Finally the simulation is focused on the mixed transitional or turbulent flow with and without evaporation. In detail, this thesis consists of six chapters. The first chapter is devoted to an introduction to the two-fluid and homogeneous mixture models employed in the multiphase/multicomponent flow. The multiphase classification is explained and the previous works on the two models are reviewed. The second chapter is mainly focused on the application of the Fractional step method algorithm in the two-fluid model. In addition, the Conservative Level Set method(interface sharpening) is applied to overcome the weakness of the two-fluid model (numerical diffusion of the interface), which is often encountered in the simulations using this model. With the proposed algorithm, the two-fluid model suitable for the dispersed flow is extended to the separated flow. The homogeneous mixture model is introduced in the third chapter. As an application of this model, different evaporation cases have been tested. A hydrodynamically fully developed laminar flow in a horizontal duct is firstly studied. It is used to verify the model in a laminar flow considering constant physical properties. Water falling films are often applied to enhance the heat transfer. Therefore the second case analyzes the natural convection in a cavity with liquid film (assuming variable physical properties), and validates the falling film model. Finally, a third case is focused on mixed convective flow interacting with a water falling liquid film. The effects of heat flux on the evaporation rate and the flow structure are investigated employing numerical experiments. In the fourth chapter, the laminarization phenomena of turbulent forced flow in a vertical pipe with constant heat flux is studied. These studies validate the prediction ability of large eddy simulation in this complex situation. Afterwards additional cases in a long vertical pipe (100 times diameters) are conducted and the results are compared with the existing experimental data. Throughout the whole pipe, the flow state follows a complicated process, which includes turbulent-laminar and laminar-turbulent transitions. This problem is of great significance in industrial applications for it may result in the enhancement or impairment of heat transfer. Based on the previous verification of the model in turbulent and transitional flow, the simulation of the cooling in a uniformly heated vertical tube is conducted in the fifth chapter with an ascending flow of air and a falling film. This case also involves the transitional complex flow and boundary conditions of falling film with simultaneous heat/mass transfer. The variable factors affecting the evaporation and thermal efficiency have been analyzed. In Appendix C, as an application in engineering of the work developed within the thesis, a series of flows in a complex geometry of a refrigerator chamber without or with fins are simulated to obtain their effects on the flow distribution and mixing feature. In the last chapter, the main conclusions are summarized and the future works are listed. / Debido a la transferencia de calor y de cambio de fase, fenomenología multifase y multicomponente se encuentra en las aplicaciones de refrigeración. Dependiendo de la estructura de interfaz multifase pueden clasificarse como flujo separado (flujo estratificado), de transición o mezclado flujo y flujo disperso. Dependiendo de los diferentes estados de flujo de dos fases, se deben aplicar diferentes modelos. La presente tesis se centra principalmente en flujo separado. Modelos de mezcla homogénea de dos fluidos se emplean para simular fenómenos de enfriamiento en multifase. Este trabajo se divide en dos partes principales. En la primera parte, un algoritmo de modelo de dos fluidos de la superficie libre se presenta. El modelo de dos fluidos se utiliza generalmente como una herramienta para simular flujo disperso. En la segunda parte, el modelo de mezcla homogénea para flujo multicomponente se emplea para resolver el problemas de evaporación. Finalmente se simulan flujos turbulentos con influencia de la fuerza de flotabilidad. El objetivo a largo plazo es acoplar los dos modelos, que podrían resolver todos los regímenes de flujo y tendrian aplicación en problemas industriales. La presente tesis se compone de seis capítulos. El primer capítulo está dedicado a una introducción a los modelos de mezcla homogénea de dos fluidos empleados en el flujo multifásico / multicomponente. La clasificación de múltiples fases se explica y se revisa la bibliografia existente. El segundo capítulo se centra principalmente en la aplicación del Fractional Step Method en bifasico. Con el algoritmo propuesto, el modelo de dos fluidos adecuado para el flujo disperso se extiende al flujo separado. El modelo para mezcla homogénea se introduce en el tercer capítulo con las mismas ecuaciones de masa, cantidad de movimiento, energía y concentración. Se aplica en casos de evaporación y condensación. El flujo laminar completamente desarrollado en un conducto horizontal se estudia en primer lugar considerando propiedades físicas constantes para verificar el modelo en un flujo laminar. La simulacion de convección natural en una cavidad con propiedades físicas variables y película de líquido se realiza numéricamente para validar el modelo de película descendente. Finalmente, el flujo de convección mixta se investiga en un film descendente. Los efectos de los diferentes parámetros en la evaporación y el flujo son investigados mediante experimentos numéricos. En el cuarto capítulo, la laminarización de flujo turbulento forzado en un tubo vertical con flujo de calor constante se estudia para validar la capacidad de predicción de los modelos LES en el flujo de convección mixta de transición turbulenta-laminar con fuerte fuerza de flotación. Se llevan a cabo estudios numericos y los resultados se comparan con los datos experimentales existentes. A lo largo de toda el conducto, el estado de flujo sigue un proceso complicado, que incluye turbulencia.

Los cristales fotónicos son materiales creados artificialmente, que pueden hacer con los fotones lo que los semiconductores ordinarios hacen con los electrones: es decir, pueden mostrar una banda fotónica prohibida (PBG), situación en la cual fotones con determinadas energías no pueden propagarse dentro del cristal independientemente de la polarización y la dirección de propagación. Por lo tanto, la banda prohibida para los fotones puede ser el verdadero análogo óptico de la banda prohibida fundamental en los semiconductores. Desde su invento en 1987, los cristales fotónicos han atraído un interés considerable debido a sus propiedades ópticas inusuales. Las propiedades únicas de los cristales fotónicos también han llevado al reconocimiento de su estudio como un nuevo y principal campo de la optoelectrónica.El silicio macroporoso con su elevada constante dieléctrica, sus altas relaciones de aspecto y su total compatibilidad con la industria microelectrónica es un modelo excelente para estudiar las propiedades ópticas de cristales fotónicos bidimensionales y asimismo tridimensionales. Adicionalmente, se ha demostrado que el silicio macroporoso tiene varias aplicaciones únicas en muchos otros campos, como la electrónica, el micromecanizado, la detección de gases y la biotecnología. La investigación del silicio macroporoso crece continuamente debido a su enorme potencial de aplicaciones.El trabajo presentado en esta tesis trata dos temas: simulación de la estructura de bandas fotónicas y análisis de cristales fotónicos bidimensionales, y la fabricación de estructuras bidimensionales basadas en silicio macroporoso para aplicaciones como cristales fotónicos en el espectro infrarrojo. Debido a que muchas posibles aplicaciones de los cristales fotónicos están basadasen sus bandas fotónicas prohibidas, es interesante diseñar cristales fotónicos con una bandaprohibida absoluta, que sea tan grande como es posible. En esta tesis describimos el método para alargar la banda fotónica absoluta, mostrando el papel de la simetría en el diseño de estructuras fotónicas óptimas. Hemos estudiado como reduciendo la simetría mediante incorporación de elementos adicionales en la celda unitaria o mediante cambio de la forma de los "átomos" afecta la relación de dispersión de los dos modos de polarización (TM y TE) en cristales fotónicos bidimensionales. Nuestro objetivo ha sido optimizar la magnitud de la banda fotónica absoluta, reduciendo la simetría de las celdas cuadrada y triangular y construir de este modo estructuras nuevas, llamadas celdas híbridas. Usando el método de las deferencias finitas en el dominio de tiempo (FDTD) hemos realizado un detallado análisis numérico de la relación de dispersión en celdas híbridas bidimensionales que consisten en columnas de aire en silicio.En el caso de celda cuadrada, la reducción de la simetría ha sido aplicada con éxito para maximizar la magnitud de la banda prohibida. Para la celda cuadrada que consiste en columnas cilíndricas de aire, la incorporación de una columna adicional aumenta tres veces la magnitud de la PBG absoluta. En el caso de celda cuadrada de columnas cuadradas de aire, la rotación de las columnas juega un papel crítico en la creación de la PBG absoluta.Si las columnas cuadradas no están rotadas no existe una PBG absoluta. La magnitud de la PBG absoluta se ha mejorado considerablemente a través de la combinación de incorporación de una columna adicional y rotación de las columnas cuadradas. Además, se genera una nueva PBG absoluta que se encuentra para un amplio rango de ángulos de rotación y dimensiones de las columnas, que están lejos de la condición de empaquetamiento (cuando las columnas se tocan). Esto favorece la fabricación de los cristales fotónicos.La PBG absoluta es de mayor magnitud para la celda triangular formada por columnas cilíndricas de aire. Los resultados de las simulaciones demuestran que modificando la estructura triangular mediante incorporación de columnas adicionales o mediante columnas cuadradas (aunque las columnas estén rotadas) no mejora la PBG absoluta, por lo menos en el caso estudiado de estructura aire/silicio. La adición de columnas adicionales en la celda triangular reduce la magnitud de la PBG absoluta.Hemos realizado un detallado análisis cuantitativo de las PBG absolutas para 2D celdas triangulares y hexagonales, considerando que entre las columnas y la matriz dieléctrica hay una capa superficial de otro material dieléctrico. Esta capa superficial puede ser indeseada (resultado del proceso de fabricación) o puede ser creada intencionadamente.Las propiedades de las bandas fotónicas se ven afectadas del grosor y también de la constante dieléctrica de la capa superficial. Los resultados de las simulaciones demuestran que para estructuras que están formadas por columnas de aire en un material dieléctrico la existencia de una capa superficial reduce la magnitud de la PBG absoluta. Por otro lado, para estructuras formadas de columnas dieléctricas en aire la capa superficial puede mejorar la PBG cuando la constante dieléctrica de la capa es mayor que la de las columnas.Esto proporciona mayor flexibilidad en la realización práctica de estos 2D cristales fotónicos. Por ejemplo, en ciertas ocasiones es imposible obtener pilares dieléctricos con un diámetro determinado o de un material concreto por limitaciones tecnológicas. Sin embargo, los pilares se pueden fabricar de un material con menor constante dieléctrica para el cual existe una técnica bien desarrollada. Después los pilares se pueden cubrir con el material deseado mediante deposición, obteniendo las mismas propiedades como en el caso de la estructura sin capa superficial.Hemos desarrollado un equipo de ataque electroquímico para fabricación de 2D estructuras periódicas basadas en la formación de silicio macroporoso. Asimismo, hemos realizado un estudio de la influencia de los parámetros del ataque electroquímico sobre la morfología de los poros. Crecimiento estable de macroporos se puede obtener sólo si todos los parámetros del proceso de ataque (resistividad del substrato, concentración de HF, corriente de ataque, potencial anódico, temperatura, etc.) están ajustados apropiadamente.Las condiciones óptimas ocupan una pequeña parte de todos los posibles parámetros del proceso. Por ejemplo, concentraciones de HF mayores de 10 wt.%, que se usan generalmente para crecer películas micro- y mesoporosas, no son apropiadas para crecer macroporos con una profundidad grande y una forma cilíndrica. Potenciales relativamente altos (para nuestras muestras mayores de 2 V) aumentan inevitablemente la formación de "breakdown-type" poros. Por otro lado, potenciales relativamente bajos (menores de 1 V) generalmente producen un crecimiento inestable de los poros que están parcial o totalmente recubiertos de silicio microporoso.La corriente aplicada es el parámetro más crítico del proceso. Densidades de la corriente mayors de la densidad crítica Jps, que depende de la temperatura y de la concentración de HF, situaría el proceso en la región de electropulido. El control de la corriente durante el proceso es una tarea clave. Mantener la corriente de ataque constante durante todo el proceso es insuficiente para el crecimiento estable de macroporos cilíndricos. Se han identificado dos efectos que influyen la forma de los poros en profundidad. Primero, la concentración de HF disminuye cerca de la punta de los poros debido a las limitaciones por difusión en poros estrechos y hondos. Este efecto produce un incremento del diámetro del poro cerca de la punta. Segundo, la superficie interna de los poros aumenta para prolongados tiempos de ataque, provocando un incremento de la corriente de oscuridad y por lo tanto la formación de poros cónicos. Su diámetro decrece en profundidad. El incremento de la corriente de ataque de manera adecuada, tal que se produzca crecimiento de poros con forma cónica inversa, es un método para compensar la conicidad inicial de los poros. Si el ataque se realiza a temperaturas más bajas y burbujeando el electrolito con nitrógeno se puede reducir la corriente de oscuridad, formando poros menos cónicos. Otro método efectivo es el uso de un surfactante apropiado. Los surfactantes se usan por lo general para prevenir degradación causada por las burbujas de hidrógeno que se pegan en la superficie de la muestra. Hemos probado dos diferentes tipos de surfactants (TritonX-100 no iónico y SDS aniónico). Hemos observado que la adición de surfactantes no iónicos aumenta la corriente de oscuridad y la formación de poros cónicos. Por otro lado, el uso de surfactantes aniónicos reduce considerablemente la corriente de oscuridad y poros cilíndricos se pueden producir casi sin dificultad.Aplicando las reglas explicadas arriba se han obtenido matrices altamente uniformes de macroporos con diferente distribución y dimensiones.Por último, también se presentan algunos resultados preliminares sobre aplicaciones novedosas de silicio macroporoso. Las características estructurales de las matrices de macroporos se han utilizado para fabricar pilares de óxido de silicio que podrían encontrar aplicaciones en la biotecnología como plataformas tridimensionales para detección de reconocimiento de moléculas o como matrices de microjeringas. También se ha fabricado un filtro que consiste en membranas de silicio macroporoso y se han medido sus características ópticas. Este filtro se comporta como pasabajas cuando la luz incidente es paralela a los poros. Los resultados obtenidos son solamente cuantitativos y sugieren una futura optimización del proceso de ataque para fabricar muestras de alta calidad.Asimismo se ha introducido modulación periódica del diámetro de los poros en profundidad y se han fabricado matrices de "ratchet-type" macroporos, los cuales podrían tener aplicaciones como dispositivos para separación de partículas. Se ha demostrado que mediante unos pocos pasos adicionales las matrices de macroporos modulados se pueden convertir en microestructuras tridimensionales de huecos interconectados. Esta técnica se puede aplicar para la fabricación de cristales fotónicos tridimensionales. / Photonic crystals are artificially created materials that can do to photons what an ordinary semiconductor does to electrons: that is to say, they can exhibit a photonic band gap, a situation in which photons with certain energies cannot propagate inside the crystal, regardless of polarization and propagation direction. The photonic band gap is therefore likely to be the true optical analog of the fundamental gap of a semiconductor. Since their invention in 1987, photonic crystals have triggered considerable interest because of their unusual optical properties. The unique properties of photonic crystals also led to their study being recognized as a new and major field of optoelectronics.Macroporous silicon, with its high dielectric contrast, very high aspect ratios and full compatibility with the silicon microelectronic industry is an excellent model system for studying the optical properties of two-dimensional and even three-dimensional photonic crystals. Besides, macroporous silicon has been shown to have several unique uses in many other fields, like electronics, micromachining, gas sensing and biotechnology. Research into macroporous silicon is continuously growing, prompted by its enormous potential for applications.The work presented in this thesis deals with two subjects: photonic band structure simulations and analysis of 2D photonic crystals, and the fabrication of macroporous silicon structures suitable for application as 2D infrared photonic crystals.Since many potential applications of photonic crystals are based on their photonic band gaps, it is of interest to design photonic crystals with an absolute band gap that is as large as possible. In this thesis we describe a way to enlarge the absolute photonic band gap, showing the role that symmetry plays in designing optimal photonic structures. We have examined how reducing symmetry by inserting additional elements into the lattice unit cell or by changing the shape of the scatterers alters the dispersion behavior of the TMand TE-polarization modes in 2D photonic crystals. Our goal was to maximize the absolute PBG width by breaking the symmetry of the simple square and triangular lattices and thus to construct new structures, the so-called hybrid lattices. Using the FDTD method for photonic band structure calculations, we performed a detailed numerical analysis of the photonic dispersion relation in 2D hybrid lattices that consist of air holes drilled in silicon.For square lattices, the symmetry reduction approach has been successfully applied to maximize the absolute PBG width. In the case of square lattices of circular air rods, the inclusion of an additional rod increases the absolute PBG threefold. For the case of square lattices of square air rods, the rotation of the rods plays a critical role in the opening of an absolute PBG. No absolute PBG was found if the square rods were not rotated. The size of the absolute PBG is improved most significantly by a combination of the inclusion of an additional rod and the rotation of square rods. Moreover, a new absolute PBG is generated that persists over a wide range of rotation angles and filling fractions, which are far from the closed-packed condition. This greatly favors the fabrication of photonic crystals.The largest absolute PBG is the one for the triangular lattice of circular air rods.Our results have shown that modifying the triangular structure by adding interstitial rods or using square rods (even though the rods are rotated) is not a good way of achieving a larger absolute PBG, at least for the special case of air/silicon structures. Adding more rods to the lattice unit cell cannot further enlarge the absolute PBG width.We have made a detailed quantitative analysis of the absolute PBGs in 2D triangular and honeycomb lattices considering that there is an interfacial (shell) layer between the rods and the background dielectric matrix. This interfacial layer may be the unwanted result of the fabrication process itself or created intentionally. The properties of the photonic gaps are strongly affected by the thickness and the dielectric constant of the shell layer. The results of band structure simulations show that for structures consisting of air rods embedded in a dielectric background this layer reduces the absolute photonic gap.For structures consisting of dielectric rods in air, however, an interfacial layer can yield larger photonic gaps if the dielectric constant of the layer is greater than that of the rods.This provides further flexibility in the practical realization of such 2D photonic crystals.For example, in certain cases we may not be able to obtain dielectric rods of the required diameter or of the particular material we need because of technological limitations.However, we are enabled to grow the rods of materials with lower dielectric constants, for which a well-developed technology exists. The rods can then be covered with the required dielectric by deposition, thus achieving almost the same gap properties as those of the ideal shell-less structure.We have developed an electrochemical etching set-up for fabricating 2D periodic structures based on macroporous silicon formation. We have also made a detailed study of how the electrochemical etching parameters influence the pore morphology. Straight and stable macropores can only be etched if all parameters of the etching process (doping level, HF concentration, etching current, anodic potential, temperature, etc.) are properly adjusted. The optimal conditions are only a very tiny part of the total parametric space, which requires a fine control of the process. For example, HF concentrations higher than 10 wt.%, which are commonly used for growing micro- and mesoporous films, are not suitable for growing deep, straight macropores. Relatively high anodic potentials (e.g. even higher than 2 V for our samples) inevitably enhance the formation of spiking breakdowntype pores on macropore walls. On the other hand, low anodic potentials (less than 1 V) usually lead to unstable pore growth with macropores that are partially or fully filled with microporous silicon.Of all etching parameters the applied etching current is the most critical. Current densities greater than the critical current density Jps, which depends on the temperature and electrolyte concentration, will move the system into the electropolishing regime.Controlling the etching current during the process is a key issue. Keeping the etching current constant was found not to be sufficient to grow deep, straight macropores. Two effects that influence the pore shape in depth were identified. First, the decrease in HF concentration towards the pore tips because of diffusional limitations leads to an increase of the pore diameter close to the tip. Second, the pore surface area increases for long anodization times, which leads to an increase in the dark current density and yields conical pores, the diameter of which decreases with depth. Increasing the etching current accordingly, which means to etch pores with the reverse conical shape is one of the methods to reduce the pore conicity. Performing the etching at lower temperatures and bubbling the electrolyte with nitrogen can reduce the dark current and produce less conical pores. Another effective way is to use appropriate surfactants. Surfactants are commonly used to prevent degeneration caused by bubbles sticking to the sample surface. Two surfactants of different types (nonionic TritonX-100 and anionic SDS) were tested. We found that the addition of nonionic surfactants increases the dark current contribution and thus enhances the formation of conical pores. On the other hand, the use of anionic surfactants considerably reduces the dark current and straight pores can be formed almost without difficulty. Highly uniform macropore arrays with different arrangements and dimensions were obtained by applying these "compensation" rules.Finally, we have also presented some preliminary results of our work on novel applications of macroporous silicon. The structural features of the etched macropore arrays have been exploited to fabricate high-aspect-ratio silicon dioxide pillars, which may have applications in biotechnology as a 3D sensor platform for molecular recognition detections or as dense arrays of microsyringes for fluid delivery or precise chemical reaction stimulation. We have also fabricated a macroporous filter consisting of through-wafer pores and measured its optical characteristics. For light incidence parallel to the pores, a shortpass spectral behavior has been observed. The obtained results are only qualitative and suggest that further optimization of the etching process is needed in order to produce higher quality samples. We were also able to introduce periodic modulations of the pore diameter in depth and to fabricate ratchet-type macropore arrays, which have been envisioned for applications as ratchet devices for large-scale particle separation. We have shown that by a few post-etching steps the modulated macropore arrays can be converted into microstructures consisting of interconnected voids in all three dimensions. The technique used can be exploited for the fabrication of fully 3D photonic crystals.

En esta tesis doctoral se utilizan diversas estrategias de ingeniería estructural para desarrollar nuevas nanoestructuras basadas en alúmina nanoporosa. Dichas nanoestructuras o moldes son posteriormente utilizados para desarrollar otras nanoestructuras innovadoras basadas en ciertos materiales tales como polímeros, metales magnéticos y semiconductores, interesantes desde el punto de vista de futuras aplicaciones. Las nanoestructuras replicadas a partir de los moldes de alúmina porosa pueden ser integradas en varios tipos de nanodispositivos (nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas, precipitadores electrostáticos, células solares con heterouniones volumétricas, dispositivos ópticos unidimensionales, nanofiltros, etc.).En primer lugar, se fabrican cuatro tipos tradicionales de alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización blanda en dos pasos. Los ácidos utilizados para fabricar dichos tipos de alúmina porosa son sulfúrico, oxálico y fosfórico. Los voltajes de anodización aplicados son 20, 40 y 160-195 V, respectivamente. El diámetro del poro varia entre 20 y 250 nm, siendo la distancia entre poros 55, 100 y 400-500 nm, respectivamente. Posteriormente, se fabrica alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización dura en un paso utilizando ácido oxálico. También se emplea la anodización dura en dos pasos para fabricar moldes de alúmina porosa ordenada sin capa protectiva, la cuál es característica de un proceso de anodización dura en un paso. Además, siguiendo una técnica de re-anodización, se elimina la capa barrera de óxido de la parte posterior de los moldes de alúmina sin eliminar el sustrato de aluminio ni desprender el molde de alúmina del sustrato. Después, por medio de un proceso de anodización asimétrico en el cuál se modifican las condiciones de anodización (voltaje de anodinado, tipo y concentración de ácido), se fabrican moldes de alúmina jerarquizados con múltiples configuraciones. También se producen moldes de alúmina porosa bicapa combinando anodizado duro y blando. Posteriormente, se emplea un molde de nitruro de silicio para fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados mediante la técnica de nanoimpresión. Además, utilizando esta misma técnica y seleccionando las condiciones de anodización adecuadas, es posible fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados con un ordenamiento de poros extraordinario. Finalmente, se fabrican nanoembudos basados en alúmina porosa intercalando consecutivamente pasos de anodizado y ampliación de diámetro de poro. Dichas nanoestructuras son diseñadas con un alto grado de precisión mediante dos procesos de calibración sistemáticos. Además, se desarrolla un modelo teórico que predice el crecimiento del poro durante el proceso de anodización. Este modelo es experimentalmente validado.A partir de dichas nanoestructuras basadas en moldes de alúmina porosa se estudian varias aplicaciones. En primer lugar, se sinterizan nanopilares magnéticos ordenados sobre sustratos de aluminio mediante deposición electroquímica. Estos se caracterizan por varias técnicas (ESEM, EDXS y XRD). Por sus propiedades magnéticas, dichos nanopilares podrían ser empleados como nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas o como precipitadores electrostáticos. En segundo lugar, se fabrican estructuras poliméricas compuestas de nanopilares sobre un sustrato nanoestructurado basado en el mismo polímero. Para ello, se emplean moldes de alúmina porosa jerarquizados. Además, nanopilares del mismo polímero son transferidos sobre sustratos de ITO/vidrio. La nanoestructura resultante es caracterizada por ESEM, TEM, XRD, CS-AFM y se demuestra que ésta puede ser óptima para integrarse en celdas solares orgánicas con heterouniones volumétricas de alto rendimiento. En tercer lugar, se presenta la primera etapa en la fabricación de mosaicos de nanohilos y nanotubos de níquel. Además, dichas nanoestructuras se utilizan para llevar a cabo un estudio sistemático sobre cómo la re-organización de los poros durante el cambio de régimen de anodización de blando a duro en moldes de alúmina porosa bicapa. Estos mosaicos de nanoestructuras magnéticas podrían ser empleados para desarrollar nuevas plataformas de almacenamiento de datos. Finalmente, se fabrican cadenas de nanoesferas de silicio por infiltración bajo vacío a través de nanoembudos basados en alúmina porosa. Dichas nanoestructuras podrían ser integradas en dispositivos ópticos de tamaño nanométrico. / In this PhD thesis, several structural engineering strategies are applied to develop innovative templates based on nanoporous anodic alumina. These templates are subsequently used to develop other nanostructures based on certain materials with multiple applications such as polymers, magnetic metals and semiconductors. These replicated nanostructures could be integrated in various types of nanodevices (e.g. nanoelectrodes for direct deposition of nanoparticles from a gas draught, bulk-heterojunction solar cells, one-dimensional optoelectronic devices, nanofilters and so on). It is expected that the results presented will become a starting point to develop new nanodevices and applications in a wide range of research fields.

Des de l'aparició de les cèl·lules solars orgàniques (CSO), hi ha hagut una intensa recerca per a aconseguir fer-les tan rentables com les contaminants fonts d'energia tradicionals. Una solució prometedora és el mètode de la heterounió interdigitada, que permet obtenir dispositius amb una extensa interfície Donador-Acceptador per a una correcta dissociació d'excitons. L'avantatge que aquest mètode té sobre el de la heterounió de tipus bulk és que permet que hi hagin camins directes sense interrupció per a la recol·lecció de portadors lliures als elèctrodes. En aquesta tesi hem desenvolupat un procediment numèric complet per a simular les diferents etapes del procés de conversió fotovoltaica a les CSO. Aquest model està basat en el mètode d'elements finits, el qual ens pot aportar informació de cada magnitud en funció de la posició. Aplicant aquest model de simulació, hem realitzat un estudi sistemàtic de CSO interdigitades per a poder predir quines característiques geomètriques seran més apropiades per a optimitzar-les i com augmentar la seva eficiència. El model ha sigut validat amb resultats experimentals, obtinguts en les nostres instal·lacions utilitzant el mètode de síntesi assistit per plantilles amb alúmina anòdica nanoporosa. Finalment, el procediment també ha sigut adaptat i aplicat en d'altres tipus de dispositius i estructures per a demostrar que pot funcionar correctament en altres situacions a banda de les CSO interdigitades. Aquestes han sigut: reproduir resultats experimentals de cèl·lules solars hibrides amb un elèctrode nanostructurat de TiO2, i reproduir l'efecte plasmònic en piràmides de nanoesferes d'or. / Desde la aparición de las células solares orgánicas (CSO), ha habido una intensa búsqueda para conseguir hacerlas tan rentables como las contaminantes fuentes de energía tradicionales. Una solución prometedora es el método de la heterounió interdigitada, el cual permite obtener dispositivos con una extensa interface Donador-Aceptador para una correcta disociación de excitones. La ventaja de este método sobre el de la heterounió de tipo bulk es que permite caminos directos sin interrupción para la recolección de los portadores libres. En esta tesis hemos desarrollado un procedimiento numérico completo para simular las etapas del proceso de conversión fotovoltaica en las CSO. Este modelo está basado en el método de elementos finitos, el cual nos aporta datos de cada magnitud en función de la posición. Aplicando este modelo de simulación, hemos realizado un estudio sistemático de CSO interdigitadas para poder predecir que características geométricas serán más apropiadas para optimizarlas y aumentar su eficiencia. El modelo ha sido validado con resultados experimentales, obtenidos en nuestras instalaciones utilizando el método de síntesis asistido por plantillas con alúmina anódica nanoporosa. Finalmente, el procedimiento también ha sido aplicado a otro tipo de dispositivos y estructuras para demostrar que puede funcionar correctamente en otros casos a parte del de las CSO interdigitadas. Estos han sido: reproducir resultados experimentales de células solares hibridas con un electrodo nanoestructurado de TiO2, y reproducir el efecto plasmónico en pirámides de nanoesferas de oro. / Since the advent of organic solar cells (OSC), there has been an intense search to make them at least as profitable as traditional polluting energy sources. One promising solution is the interdigitated heterojunction approach. This method provides devices with a widespread Donor-Acceptor interface for a proper exciton dissociation. The advantage over the bulk heterojunction approach is that the interdigitated cells provide uninterrupted direct paths for charge carrier collection to the electrodes. In this thesis we have developed a complete numerical procedure to simulate the different steps of the photovoltaic conversion process in organic solar cells. This model is based on the finite element method, which can give us information of every magnitude as a function of the position. By applying this numerical simulation model, a systematic study of interdigitated OSC has been done to predict which geometrical characteristic will be better to optimize this kind of devices and how to increase their efficiency. The model has been validated with experimental results of real devices, obtained in our facilities by using the template-assisted synthesis method with nanoporous anodic alumina templates. Finally, the simulation procedure has also been adapted and applied to other devices and structures to demonstrate that it can work correctly not only for the case of interdigitated full organic solar cells. The simulation model has been applied to two situations: to reproduce experimental results of hybrid solar cells with a nanostructured TiO2 electrode, and to reproduce the plasmonic effect in gold nanospheres pyramids.