En aquest treball s'ha establert una metodologia d'anàlisi i caracterització del comportament tèrmic, mecànic i termomecànic d'estructures micromecanitzades per a sensors de gas a través de la combinació de simulacions numèriques i tècniques de caracterització de microsistemes (mesures electro-tèrmiques, termografia, nanoindentació, AFM, XRD, microscopia confocal, Auger).L'estudi del comportament tèrmic de les estructures micromecanitzades ha permès obtenir les característiques bàsiques que controlaran el comportament del sensor, com són el consum en potència, la distribució de temperatura i el temps de resposta del substrat. L'anàlisi termomecànic ha consistit en determinar els esforços residuals en cada estructura així com l'estudi de la deformació dels diferents dissenys per a diferents temperatures de treball. S'han identificat diferents mecanismes de degradació en els materials que formen els sensors i s'ha obtingut el comportament termomecànic fins la ruptura del sensor. Tant en l'estudi tèrmic com en el termomecànic, la interacció entre la capa sensora i el substrat micromecanitzat així com l'influencia del material sensor en el comportament global del dispositiu han estat aspectes investigats.El treball inclou, a més, la caracterització termomecànica del Pt-Ti emprat en estructures micromecanitzades a través de la utilització de mètodes de Nanoindentació, Microscopia de Forces Atòmiques (AFM), Difracció de Raigs X (XRD) i espectroscopia Auger. També inclou el desenvolupament d'una metodologia per predir la fatiga tèrmica en microsistemes basada en la combinació dels models elasto-plàstics de metalls en capa prima (Alumini, Pt-Ti) amb simulacions numèriques. Finalment, de la metodologia d'anàlisi electro-termo-mecànic que s'ha dut a terme, es poden obtenir regles de disseny per la implementació de microsistemes que treballin en diferents règims de temperatura i en concret, directament aplicables al disseny i fabricació d'estructures micromecanitzades per a sensors de gas / This work presents a complete thermomechanical study of different micromachined gas sensor substrates based on closed and suspended membrane microstructures. The work has been carried out combining coupled electro-thermo-mechanical three-dimensional finite element method simulations with different experimental techniques such as those used in Microsystems characterization (thermo-electrical, thermography, AFM, XRD, confocal microscopy, Auger..). The performances predicted by simulations, such as the power consumption, the temperature distribution, the time response, the membrane deflection during operation and the preferential failure sites in the micromachined substrates have been confirmed by experience. The work includes the thermo-mechanical characterization of Pt-Ti thin films used in the structures using Nanoindentation, AFM, XRD and Auger spectroscopy. Additionally, a methodology to predict the thermal fatigue in microsystems, which combines experimental thin metal elasto-plastic models (Al, Pt-Ti) and coupled thermo-mechanical FEM simulations, has been developed.The good agreement between simulations and experimental results validates the numerical models, and allows us to consider the adaptability of the analyzed designs as micromachined substrates for integrated gas sensors.Keywords: MEMS, Microsystems, gas sensors, thermal fatigue, Al, Pt-Ti, FEM. / En este trabajo se ha establecido una metodología de análisis y caracterización térmica y termomecánica de estructuras micromecanizadas en silicio para aplicaciones en sensores de gas. Esta investigación ha combinado simulaciones numéricas mediante el método de los elementos finitos con técnicas experimentales de caracterización utilizadas en el campo de los microsistemas (medidas electro-térmicas, termografía, AFM, XRD, microscopia confocal, Auger).El estudio térmico de dichas estructuras ha permitido obtener su consumo en potencia, la distribución de temperaturas, la dinámica térmica, así como ha permitido fijar con precisión las propiedades térmicas de los materiales típicamente utilizados en la tecnología de los microsistemas. El estudio mecánico ha permitido obtener los esfuerzos residuales inducidos por los procesos de fabricación. Además, se ha obtenido la deformación de las estructuras a diferentes temperaturas de trabajo hasta la ruptura total de las membranas. Durante las altas temperaturas de trabajo se han detectado y analizado diferentes mecanismos de degradación en los materiales. El trabajo incluye además, la caracterización termo-mecánica del Pt-Ti depositado por sputtering, ampliamente utilizado en microsensores de gas, mediante el empleo de técnicas de Nanoindentación, Microscopia AFM, Difracción de Rayos X (XRD) y espectrocopia Auger. También presenta el desarrollo de una metodología para la predicción de la fatiga térmica en microsistemas, que se basa en la combinación de modelos elasto-plásticos para metales en capa delgada con simulaciones numéricas.Finalmente, de la metodología de análisis termo-mecánico que se ha llevado a cabo, se pueden obtener reglas de diseño para microsistemas que trabajen a diferentes temperaturas, y en concreto directamente aplicables al diseño y fabricación de estructuras micromecanizadas para sensores de gas. Palabras clave: MEMS, microsistemas, sensores de gas, fatiga térmica, Al, Pt-Ti, MEF.

This PhD thesis introduces basic concepts of smart chemical sensors design, which are afterwards applied to a particular application: the analysis of natural gas. The thesis addresses thus two sets of objective, a first set of objectives related to the conceptual design of a smart chemical sensor using smart sensor standards: - The design of an optimal smart chemical sensor architecture - The novel combination in a working prototype of the highly complementary smart sensor standards IEEE-1451 and BS-7986 A second set of objectives is directly related to the selected application. Natural gas quality control. Natural gas is an energy source of major importance in the world energy supply, its quality control is increasingly important due to its origin-dependent properties and the progressive liberalization of the energy market. The objectives related to this application are: - To solve the natural gas quality analysis problem by using a lower cost approach taking advantage of MEMS technology, smart sensor features, and embedded intelligent signal processing. - To select suitable sensing technologies and associated signal processing. An overall goal addressed by the PhD Thesis is in the end the reporting of a working smart sensor prototype implementing all the smart sensor features, MEMS based natural gas analysis and advanced signal processing as a demonstration of a novel low-cost and high speed natural gas analyzer. The thesis covers this research along 7 chapters, introducing the concepts and application in chapters 1 and 2, the objectives in chapter 3, the simulation of a proposed MEMS sensor approach in chapter 4, the description of the advanced signal processing approach adopted in chapter 5, the description of the electronics and engineering of the smart natural gas analyzer prototype in chapter 6, and finally the conclusions of the work in chapter 7. / La tesis introduce conceptos básicos sobre el diseño de sensores químicos inteligentes, en particular presenta los estándares propuestos IEEE-1451 y BS-7986, y elabora una propuesta para el diseño óptimo de dichos sensores químicos inteligentes. Se implementa la propuesta de diseño para una aplicación concreta, el análisis de gas natural. Además de la aplicación de los conceptos sobre sensores químicos inteligentes se pretende además diseñar un analizador compacto, rápido y de bajo coste, para ello se estudia el uso de un microsensor termoeéctrico como sensor principal del analizador. Una vez probada su viabilidad se implementan ambos conceptos (sensores inteligentes y microsensor termoeléctrico) en un prototipo funcional validado en laboratorio. Como resultado se obtiene una propuesta para el diseño de sensores químicos inteligentes basada en estándares, y por otro lado se presenta un nuevo analizador de gas natural, más rápido y compacto que los existentes. Los resultados obtenidos originan diversas publicaciones en revistas así como dos patentes de método y sistema.