Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2011

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

<p>Vid malmbrytning förflyttas malm långa sträckor med tåg. Malmbanan är en järnväg som går från Luleå till Narvik i Norge. Mellan Kiruna och Narvik fraktas det årligen ca 15 miljoner ton järnmalm. Tåget består av 2 lok med 52 vagnar där varje vagn kan väga upp till 100 ton. I kopplen mellan vissa vagnar uppstår sprickor som kan leda till brott så att tåget riskerar tappa vagnar.</p><p>Syftet med det här arbetet är att titta på hur stora krafterna blir i kopplen mellan tågvagnarna. Tåget har i denna studie simulerats i Matlab i form av ett system bestående av massor, fjädrar och dämpare.</p><p>Vad som är intressant att se är hur dessa krafter varierar när tåget accelererar samt bromsar in så att systemet sätts i svängning. Problemet löstes genom att tillföra en varierande kraft F(t)=F0sin(wt) på loket, vilket simulerar accelerations- samt inbromsnings-tillfällena. Då krafterna mellan vagnarna är större än dragkraften från loket (F0) finns det risk för brott i kopplen (fjädrarna). Detta kan medföra att tåget tappar vagnar. Därför är det önskvärt att studera vilka parametrar som påverkar krafternas storlek i kopplen. Matlab-programmeringen för att räkna ut krafterna mellan vagnarna är uppdelade i två filer, nämligen train_input.m och solver.m. I filen train_input förbereds inputdata för den ordinära differentialekvationslösaren i filen solver.m. De bägge filerna har varsin input-sektion där önskade parametrar måste specificeras innan Matlab-koden exekveras.</p><p>Om man i Matlab-programmet till en början har ett lok och en vagn, så kan man studera hur den maximala kraften (Fmax) i kopplen påverkas genom att successivt koppla på en extra vagn. Krafterna i kopplen ökar inte proportionellt med ökande antalet vagnar, som man först spontant kan tro. Till en början ökar krafterna mellan dem men när antalet vagnar blir fler och fler så börjar kraftökningen att avta. Flera olika egensvängningar kan äga rum och beroende på vilket tidsintervall man vill studera får man olika värden på Fmax. Detta gör att man inte kan ange vid vilket antal vagnar som krafterna börjar avta.</p><p>Då styvhetskonstanten är hög samt när deformationen av kopplet/fjädern mellan varje vagn är som störst uppstår stora krafter i kopplen. Styvhetsvärdet k påverkar även vagnarnas position relativt loket under körning. Fjädringen i kopplen minskar med ökande värde på styvhetsvärdet k och kopplen blir på så sätt stelare. Detta resulterar i att vagnarnas position relativt loket inte ändras lika mycket då kopplen görs stelare.</p><p>När tågvagnarna lastas med malm ökar givetvis även vikten på hela ekipaget och får till följd att loket måste klara av att dra mer last. Kraften i kopplen ökar till följd av ökad massa på tåget. När tågvagnarna inte har någon last och därmed lägre vikt går tåget ryckigt, men när man lastar tåget får det en mjukare gång, frekvensen blir lägre.</p><p>Dragkraften påverkar kraften i kopplen. Ju större dragkraft desto större kraft uppstår på kopplen.</p><p>Stora krafter i kopplen uppstår då systemet börjar självsvänga med någon av dess egenvinkelfrekvenser samt då vinkelfrekvensen ligger nära egenvinkelfrekvensen.</p>

El objetivo de esta tesis es la implementación de sensores de alta resolución, formados por sistemas micro/nano electromecánicos integrados monolíticamente, basados en palanca como elemento transductor y utilizando para la fabricación tecnologías de silicio. En concreto, se determinará la tecnología de fabricación óptima para la implementación de sensores basados en palancas, para aplicaciones en aire o vacio y líquido. Se establecerán las técnicas de detección y excitación adecuadas para los sensores basados en palancas. Y se realiza la compatibilización de la tecnología de fabricación de sensores con la tecnología CMOS, de forma que se consiga la integración monolítica del sistema.Para ello, se fabrican tres demostradores distintos, dos de ellos sensores de masa formados por palancas resonantes y un tercer sistema capaz de trabajar en medio líquido para detección electroquímica. En el primer demostrador se fabrica un sensor de masa formado por una matriz de palancas de polisilicio integrado monolíticamente con la circuitería de lectura. Para ello se utiliza como capa estructural uno de los niveles de polisilicio de la tecnología CMOS utilizada (tecnología CMOS CNM25 2P, 2M con dos niveles de metal y dos niveles de polisilicio). Se han diseñado matrices de cuatro y ocho palancas que permiten realizar medidas multiplexadas de cada una de las palancas independientemente y medidas diferenciales. De forma que por un lado se aumenta la versatilidad del sistema y al realizar medidas diferenciales mejora la resolución. Durante el proceso CMOS se definen las áreas de fabricación y como post-proceso se definen los transductores mecánicos. Tras caracterización eléctrica de los sistemas, de este demostrador se concluye que la integración monolítica es posible y se dispone de un sistema versátil, con resolución en masa inferior a los 40 ag/Hz. El segundo demostrador consiste en un sensor de masa formado por palancas resonantes de silicio cristalino. Para utilizar silicio cristalino como capa estructural se desarrolla una nueva tecnología, a partir de sustratos SOI, que permite definir regiones para fabricación de la circuitería CMOS y regiones con estructura SOI para la implementación de los transductores. Una vez definida la tecnología, se implementan sensores de masa resonantes (como en el primer demostrador) con mejores características de la capa estructural. Se ha probado el funcionamiento de dichos sensores con una resolución máxima en masa de 7 ag/Hz. La tecnología desarrollada permite la fabricación de sistemas MEMS/NEMS integrados monolíticamente que utilizan silicio cristalino como capa estructural. Por ultimo se ha desarrollado un tercer dispositivo, que permite trabajar en medio líquido. Se utiliza como elemento transductor una palanca de silicio cristalino. Para detectar la deflexión de la palanca (provocada por estrés superficial debido al depósito de moléculas) se miden variaciones de corriente electroquímica entre la palanca y un electrodo muy próximo a ella dentro de un bipotenciostato. Es preciso que la separación entre dos electrodos sea inferior a los 100 nm, para poder medir esta corriente. Definir estas separaciones supone un reto tecnológico importante, dado que se trata de definir cortes en silicio de una micra de grosor, con anchura inferior a los 100 nm. Se utilizan técnicas de litografía con resolución nanométrica (con microscopio de fuerzas atómicas, AFM y haz focalizado de iones, FIB) combinadas con grabado seco por iones reactivos (RIE) y ataque directo mediante FIB. Se han conseguido los cortes requeridos y se demuestra el funcionamiento del dispositivo. / The objective of this thesis work is to implement high resolution sensors, formed by micro/nano electromechanical systems integrated monolithically, using cantilevers as transducer and silicon technologies for the fabrication. In particular, the optimal fabrication technology is determined to implement cantilever based sensors for air or vacuum applications and liquid ones. Detection and excitation optimal techniques for cantilever based systems are established. The compatibilization between the sensors fabrication and the CMOS technology is obtained, to achieve the on chip monolithic system.To achieve these objectives, three different demonstrators are fabricated. Two of them are mass sensors formed by resonant cantilevers; the third one is a system able to work in liquid with electrochemical detection. The first demonstrator is a mass sensor formed by a polysilicon cantilevers array integrated monolithically with the readout circuitry. As structural layer, one of the polysilicon layers of the CMOS technology is used (this technology is CMOS CNM25 2P, 2M with two polysilicon layers and to metal ones). Arrays of four and eight cantilevers have been designed, these designs allow multiplexed measures for individual cantilevers and differential measures. On one hand the versatility of the system is increased, by the other differential measures increase the sensor resolution. During CMOS process, fabrication areas are defined; transducers are defined as a post process. After electrical characterization of the system, it can be conclude that the monolithic integration is possible, and it is disposed a versatile system, with mass resolution lower than 40 ag/Hz.A mass sensor formed by resonant cantilevers of crystalline silicon forms the second demonstrator. To use crystalline silicon as structural layer a new technology is developed: from SOI (Silicon on Insulator) substrates, different regions are defined to implement the CMOS on bulk silicon and regions with SOI structure to the transducers. Once, the technology is defined, mass sensors are implemented (like in first demonstrator) increasing the characteristics of the structural layer. IT has been proved the working way of these sensors, with a mass resolution of 7 ag/Hz. The developed technology allows a new platform for MEMS/NEMS fabrications, by monolithic integration and using crystalline silicon as structural layer. Finally, a third device has been defined, which allows to work in liquid. As transducer a crystalline silicon cantilever is used. The deflexion of the cantilever (caused by superficial stress due to molecules adherence) is measured by variations in the electrochemical current between the cantilever and an electrode place close to it, inside a bipotenciostat system. The separation between both electrodes must be smaller than 100nm, to measure this current. The definition of this gaps suppose an important technological issue, due that gaps have to be defined in one micron thick silicon, with a wide smaller than 100 nm. Lithography techniques with nanometric resolutions (atomic force microscope, AFM, and focus ion beam, FIB) combined with reactive ion etching (RIE) are used, together with direct etching with FIB.

Vid malmbrytning förflyttas malm långa sträckor med tåg. Malmbanan är en järnväg som går från Luleå till Narvik i Norge. Mellan Kiruna och Narvik fraktas det årligen ca 15 miljoner ton järnmalm. Tåget består av 2 lok med 52 vagnar där varje vagn kan väga upp till 100 ton. I kopplen mellan vissa vagnar uppstår sprickor som kan leda till brott så att tåget riskerar tappa vagnar. Syftet med det här arbetet är att titta på hur stora krafterna blir i kopplen mellan tågvagnarna. Tåget har i denna studie simulerats i Matlab i form av ett system bestående av massor, fjädrar och dämpare. Vad som är intressant att se är hur dessa krafter varierar när tåget accelererar samt bromsar in så att systemet sätts i svängning. Problemet löstes genom att tillföra en varierande kraft F(t)=F0sin(wt) på loket, vilket simulerar accelerations- samt inbromsnings-tillfällena. Då krafterna mellan vagnarna är större än dragkraften från loket (F0) finns det risk för brott i kopplen (fjädrarna). Detta kan medföra att tåget tappar vagnar. Därför är det önskvärt att studera vilka parametrar som påverkar krafternas storlek i kopplen. Matlab-programmeringen för att räkna ut krafterna mellan vagnarna är uppdelade i två filer, nämligen train_input.m och solver.m. I filen train_input förbereds inputdata för den ordinära differentialekvationslösaren i filen solver.m. De bägge filerna har varsin input-sektion där önskade parametrar måste specificeras innan Matlab-koden exekveras. Om man i Matlab-programmet till en början har ett lok och en vagn, så kan man studera hur den maximala kraften (Fmax) i kopplen påverkas genom att successivt koppla på en extra vagn. Krafterna i kopplen ökar inte proportionellt med ökande antalet vagnar, som man först spontant kan tro. Till en början ökar krafterna mellan dem men när antalet vagnar blir fler och fler så börjar kraftökningen att avta. Flera olika egensvängningar kan äga rum och beroende på vilket tidsintervall man vill studera får man olika värden på Fmax. Detta gör att man inte kan ange vid vilket antal vagnar som krafterna börjar avta. Då styvhetskonstanten är hög samt när deformationen av kopplet/fjädern mellan varje vagn är som störst uppstår stora krafter i kopplen. Styvhetsvärdet k påverkar även vagnarnas position relativt loket under körning. Fjädringen i kopplen minskar med ökande värde på styvhetsvärdet k och kopplen blir på så sätt stelare. Detta resulterar i att vagnarnas position relativt loket inte ändras lika mycket då kopplen görs stelare. När tågvagnarna lastas med malm ökar givetvis även vikten på hela ekipaget och får till följd att loket måste klara av att dra mer last. Kraften i kopplen ökar till följd av ökad massa på tåget. När tågvagnarna inte har någon last och därmed lägre vikt går tåget ryckigt, men när man lastar tåget får det en mjukare gång, frekvensen blir lägre. Dragkraften påverkar kraften i kopplen. Ju större dragkraft desto större kraft uppstår på kopplen. Stora krafter i kopplen uppstår då systemet börjar självsvänga med någon av dess egenvinkelfrekvenser samt då vinkelfrekvensen ligger nära egenvinkelfrekvensen.

Syfte: Att utvärdera om samband finns mellan fysisk aktivitet, som antas öka muskelmassan och därmed även den fettfria massan, och basalmetabolismen hos barn i åldern 10-13 år med övervikt. Metod: En kvantitativ, deskriptiv korrelationsstudie utfördes. 24 barn som remitterats från Överviktsenheten till Enheten för klinisk nutrition och metabolism vid Akademiska sjukhuset i Uppsala för utredning av övervikt inkluderades i studien. Relevant data hämtades från deltagarnas patientjournaler och värden på den fysiska aktivitetsnivån (PAL) beräknades. Efter sammanställning av data delades deltagarna in i två grupper efter fysisk aktivitetsnivå varpå statistiska analyser utfördes. Resultat: Resultaten i utförd studie påvisade inga statistiskt signifikanta samband mellan fysisk aktivitet och basalmetabolism eller mellan andelen fettfri massa och basalmetabolism hos överviktiga barn i åldern 10-13 år. Någon statistisk signifikant skillnad i basalmetabolism eller andelen fettfri massa beroende på fysisk aktivitetsnivå fanns heller inte i den undersökta gruppen. Slutsats: I utförd studie kunde inga statistiskt signifikanta samband eller skillnader påvisas. Vidare studier är nödvändiga för att uttala sig om eventuella samband eller skillnader föreligger inom undersökta områden hos barn i åldern 10-13 år med övervikt.

The magnetotelluric (MT) method is a geophysical method that allows characterizing the electric properties of the Earth materials. Within the frame of this method, this thesis is divided in two parts.The first part presents a series of methodological contributions to the dimensionality analysis of the MT data, emphasizing on the effects produced by errors.Thus, the WAL and the Bahr dimensionality methods, both based on the use of rotational invariants, have been studied. In the first, the method has been extended in order to consider data errors and the fact that geological structures can not always be approached to the ideal cases. In this sense, a program, WALDIM, has been created, which allows performing the dimensionality analysis in real data. With reference to the Bahr method, its limitations and inconsistencies have been analysed, and have been solved through the redefinition of the threshold limits of the invariants, and the use of an additional parameter, Q, also used by the WAL method.In the second part, the magnetotelluric study of the geoelectric structures of the Central Betics crust is presented. The data show a complex dimensionality, for which these have been modelled using a 3D model at crustal level. The model shows a good correlation between the resistivity structures and the surface geology, as well as the continuation of them at lower depths. Below the Internal Zone, at upper crustal level, the model shows a conductive body between the Nevado-Filabride complex and the Betics detachment level. This conductor is interpreted as a differentiated lithologic unit, formed by basic or low crustal rocks, containing a conducting mineral phase, such as graphite or pyrite. / El mètode magnetotel·lúric és un mètode geofísic que permet caracteritzar les propietats elèctriques dels materials de la terra. Dins el marc d'aquest mètode, aquesta tesis es divideix en dues parts.La primera consisteix en una sèrie d'aportacions metodològiques a l'anàlisi de la dimensionalitat de les dades, posant èmfasi en els efectes produïts pels errors.D'aquesta manera, s'han estudiat els ja coneguts mètodes d'anàlisi de la dimensionalitat de WAL i Bahr, basats en invariants rotacionals. En el primer, s'ha ampliat el mètode per tal de considerar els errors de les dades i el fet que les estructures geològiques no sempre es poden relacionar amb els casos ideals. Així, s'ha creat el programa WALDIM, que permet realitzar l'anàlisi de la dimensionalitat per a dades reals. Pel que fa al mètode de Bahr, s'han analitzat les seves limitacions i inconsistències, que s'han resolt mitjançant la redefinició dels valors llindar, i la utilització d'un paràmetre adicional, Q, també utilitzat en el mètode de WAL.En la segona part, es presenta l'estudi magnetotel·lúric de l'estructura geoelèctrica de l'escorça de la zona central de la Serralada Bètica. Les dades mostren una dimensionalitat complexa, i es modelitzen mitjançant la creació d'un model 3D a nivell cortical. Aquest model mostra una bona correlació entre les estructures resistives i la geologia superficial, així com la seva continuïtat a majors profunditats. A nivell d'escorça superior, el model mostra un cos conductor a la Zona Interna, localitzat entre els complexes Nevado-Filàbride i el nivell de desenganxament de les Bètiques. Aquest conductor s'interpreta com una unitat litològica diferenciada, formada per roques bàsiques o del mantell inferior, que conté una fase mineral conductora, com pot ser grafit o pirita. / El método magnetotelúrico es un método geofísico que permite caracterizar las propiedades eléctricas de los materiales terrestres. En el marco de este método, esta tesis se divide en dos partes. La primera consiste en una serie de aportaciones metodológicas al análisis de dimensionalidad de los datos, enfatizando en los efectos producidos por los errores. Así, se han estudiado los ya conocidos métodos de análisis de dimensionalidad de WAL y Bahr, basados en invariantes rotacionales. En el primero, se ha ampliado el método de manera que se consideren los errores de los datos, y el hecho que las estructuras geológicas no se correspondan siempre con casos ideales. De esta manera, se ha creado el programa WALDIM que permite realizar el análisis de la dimensionalidad en datos reales. En cuanto al método de Bahr, se han analizado sus limitaciones e inconsistencias, que se han solucionado mediante la redefinición de los valores lindar, y la adición de un nuevo parámetro, Q, también utilizado en el método de WAL. En la segunda parte, se presenta el estudio magnetotelúrico de la estructura geoeléctrica de la corteza de la zona central de la Cordillera Bética. Los datos muestran una dimensionalidad compleja, y se modelizan mediante la creación de un modelo 3D a nivel cortical. Este modelo muestra la buena correlación entre las estructuras resistivas y la geología superficial, así como su continuidad a profundidades mayores. A nivel de corteza superior, el modelo muestra un cuerpo conductor en la Zona Interna, localizado entre el complejo Nevado-Filábride y el nivel de despegue de las Béticas. Este conductor se interpreta como una unidad litológica diferenciada, formada por rocas básicas o del manto inferior, que contiene un mineral conductor tal como grafito o pirita.