Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

Diseño y síntesis de materiales nanoestructurados basados en aluminatos de estroncio con propiedades fotoluminiscentes

Durante la última década, se han llevado acabo numeroso estudios sobre la síntesis de materiales fotoluminiscentes sub-micrónicos, en gran medida, al amplio número de aplicaciones que demandan este tipo de materiales. En concreto dentro de los materiales fosforescentes o también denominados materiales con una prolongada persistencia de la luminiscencia, los estudios se han enfocado en la matriz de SrAl2O4 dopada con Europio (Eu2+) y Disprosio (Dy3+) dado que tiene mayor estabilidad y persistencia de la fosforescencia con respecto a otras matrices. Estos materiales se emplean mayoritariamente en pinturas luminiscentes, tintas, señalización de seguridad pública, cerámicas, relojes, textiles y juguetes fosforescentes. Dado al amplio campo de aplicación de los SrAl2O4:Eu, Dy, se han investigado múltiples rutas de síntesis como la ruta sol-gel, la síntesis hidrotermal, la síntesis por combustión, la síntesis láser y la síntesis en estado sólido con el fin de desarrollar un método eficiente y que sea fácilmente escalable. Sin embargo, en la actualidad el método que se emplea para el procesamiento a nivel industrial de los materiales basados en aluminato de estroncio es la síntesis por estado sólido, que requiere de temperaturas de entre 1300 a 1900oC y largos tiempos de procesamiento. Además el material obtenido tiene un tamaño de partícula de 20 a 100 μm; siendo este tamaño restrictivo para el empleo de este tipo de material en determinadas aplicaciones. Por tanto, el objetivo de este trabajo es el desarrollo de nuevas estrategias que solventen las actuales limitaciones. Dentro de este marco se plantean una serie de objetivos específicos: Estudio de los parámetros que gobiernan los procesos de reducción del tamaño de partícula mediante molienda y su relación en la respuesta fotoluminiscente. Estudio de la síntesis por combustión de SrAl2O4:Eu, Dy, evaluando el efecto de la temperatura y la cantidad de combustible (urea) en el proceso para la obtención de partículas cristalinas minimizando la presencia de fases secundarias. Desarrollo de nuevas rutas de síntesis de SrAl2O4:Eu, Dy empleando el método de sales fundidas. Determinación de los mecanismos de reacción en presencia de la sal fundida en función de los parámetros de proceso que comprende la relación de sales y reactivos, la naturaleza de la alúmina y su tamaño, la temperatura y atmósfera de tratamiento. Mejora de la eficiencia de los procesos de síntesis para obtener productos con propiedades finales óptimas en procesos factibles industrialmente para su transferencia tecnológica. Es este trabajo han sido evaluados los efectos de diferentes procesos de molienda para la reducción del tamaño de partícula del material de SrAl2O4:Eu, Dy comercial. En el proceso de molienda en medio húmedo por atrición se observa la alteración de la estructura cristalina del material debido a la reacción de hidrólisis generada incluso empleando como medio líquido etanol absoluto. Con el fin de solventar las desventajas de la molienda en medio húmedo se llevo a cabo un estudio de la molturación en seco del material. La molturación en seco de alta energía reduce significativamente el tamaño medio de partícula. Sin embargo, procesos de molienda superiores a una duración de 10 minutos ocasionan un aumento del estado de aglomeración de las partículas y disminuyen drásticamente la respuesta fotoluminiscente del material. Por tanto, se lleva a cabo un proceso de molienda en seco de baja energía. Mediante este método se consigue reducir el tamaño medio de partícula, d50=2.8 μm, y se mejora la homogeneidad de la distribución del tamaño de partícula evitando la amorfización del material. A partir de los resultados obtenidos mediante difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido se infiere que la disminución de la intensidad de la fotoluminiscencia después de la molienda en seco de alta energía con respecto al material inicial se debe principalmente a la reducción del tamaño de cristalito. Se observan menores variaciones en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando se emplea un método de molienda de baja de energía ya que en estos procesos se preserva el dominio cristalino y se reduce la amorfización significativamente. Estos resultados corroboran que la intensidad de la fotoluminiscencia y la persistencia de la luminiscencia de los materiales de SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ dependen extrínsecamente de la morfología de las partículas, del tamaño de partícula, el tamaño de grano, los defectos superficiales e intrínsecamente del tamaño de cristalito. Siendo las características intrínsecas las que dominan con respecto a las extrínsecas y por tanto tienen mayor relevancia en la respuesta fotoluminiscente. Mediante síntesis por combustión se obtuvieron láminas nanoestructuradas de SrAl2O4:Eu, Dy de ≤1 μm de espesor. La cantidad de combustible, urea, en la reacción influye significativamente en la formación de determinadas fases cristalinas. Para la síntesis del material de SrAl2O4:Eu, Dy es necesario incluir un contenido de urea mayor que el estequiométrico (siendo m=1 la relación estequiométrica). La incorporación de un exceso de urea (m>1) requiere de la presencia de un agente oxidante interno, HNO3, para que la reacción tenga lugar. El empleo de un mayor contenido de urea como combustible permite una quelación efectiva de los cationes en el sistema y la creación de las condiciones reductoras para obtener un material de mayor cristalinidad y con mejores propiedades fotoluminiscentes. El material de SrAl2O4:Eu, Dy sintetizado a una temperatura de ignición de 600oC tiene un tamaño medio 5-25 μm con un espesor de ≤1 μm. Mediante procesos de molturación en seco de baja energía es posible disminuir el tamaño medio de partícula ≈2 μm y homogenizar la distribución del tamaño de partícula pero hay un deterioro asociado de la respuesta luminiscente. Sin embargo, se puede mejorar la respuesta fotoluminiscente empleando un tratamiento térmico posterior a 900oC N2-H2 durante 1 hora que no supone un aumento del tamaño de partícula pero si permite aumentar el tamaño de cristalito y la reducción del Eu3+ a Eu2+. Con respecto a la respuesta fotoluminiscente, se obtiene valores de la intensidad de la fotoluminiscencia entre un 35%-21% con respecto a la intensidad de un material comercial de referencia. Además la intensidad inicial del decaimiento de la fosforescencia es un 20% de la intensidad del material de referencia. Por tanto, teniendo en cuenta estos resultados, es necesario explorar otros métodos de síntesis para la obtención de los materiales bajo estudio. Por esta razón, en este trabajo se desarrollo una ruta de síntesis novedosa para sintetizar SrAl2O4:Eu, Dy mediante el método de sales fundidas para la obtención de materiales de gran cristalinidad con tamaños de cristalito del orden nanométrico. Se empleo como sal fundente la mezcla eutéctica de NaCl y KCl, denominada (NaCl-KCl)e. La principal ventaja de la incorporación de la mezcla es el incremento la reactividad del sistema, reduciendo la temperatura de formación del SrAl2O4 y la duración del tratamiento térmico en comparación con la síntesis en estado sólido. La formación del SrAl2O4 es favorecida ya que se aumenta la difusión de los cationes de Sr2+ en el medio líquido. Se emplearon diferentes tipos de Al2O3 para evaluar el papel del tamaño de partícula y su naturaleza en la reacción asistida por sales fundidas y por tanto en la morfología y propiedades del producto final. Se obtuvieron partículas de morfología pseudo-esférica de tamaño ≤0.5 μm al emplear como alúmina precursora partículas sub-micrónicas ( 0.5 μm Al2O3, 0.1 μm Al2 O3 y γ-Al2O3). El mecanismo de reacción que tiene lugar se asocia a procesos de disolución-precipitación que dominan al emplear partículas de alúmina pequeñas y reactivas. Mientras al emplear una alúmina de 6 μm Al2O3 prevalecen los procesos de crecimiento cristalino siguiendo un patrón o plantilla debido a la menor reactividad del sistema. La nucleación y crecimiento de nanocristales de SrAl2O4:Eu, Dy se genera sobre la superficie de la alúmina que actúa como soporte. De esta forma se desarrolla una estructura del tipo coraza-núcleo («core-shell» en inglés) donde la superficie externa está formada por los cristales fosforescentes de SrAl2O4 y el núcleo está formado por alúmina. Las partículas obtenidas tienen una respuesta fotoluminiscente diferente en función de la morfología final obtenida. La optimización de la relación Al2O3/SrO del material de SrAl2O4:Eu, Dy sintetizado a partir de la alúmina de 6 μm permite reducir las fases secundarias y la concentración de dopantes manteniendo la respuesta fotoluminiscente. Comparativamente con un material comercial de SrAl2O4:Eu, Dy de referencia, se han alcanzado valores de la intensidad de la emisión de hasta el 90% y de la intensidad inicial de las curvas de decaimiento de la luminiscencia de un 60% para el material sintetizado por sales fundidas que tiene un tamaño medio ≤ 10μm. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que el SrAl2O4 tiene dos polimorfos, la fase monoclínica que es estable a temperaturas inferiores a 650oC y la fase hexagonal, fase de alta temperatura, estable a temperaturas superiores de 650oC. Se ha determinado que fase monoclínica presenta propiedades luminiscentes, sin embargo existen discordancias a cerca de las propiedades luminiscentes de la fase hexagonal. Mediante la síntesis por sales fundidas es posible estabilizar la fase hexagonal empleando como alúmina precursora γ-Al2O3 y un exceso de Al2O3 (Al2O3/SrO:2). La estabilización de la fase hexagonal a temperatura ambiente se produce cuando el tamaño de los cristales de SrAl2O4 es ≤20 nm. Además se observó que la fase hexagonal presenta respuesta fotoluminiscente. El diseño de materiales de SrAl2O4:Eu,Dy nanoestructurados permite modular la morfología del material y por tanto la intensidad de la de la fotoluminiscencia y la persistencia de la luminiscencia. La disminución de los materiales precursores, la temperatura y el tiempo de tratamiento significa la reducción de los costes económicos del material. De ahí la viabilidad de los materiales de SrAl2O4:Eu,Dy obtenidos mediante los procesos de síntesis propuestos en esta memoria de tesis para su posterior escalado industrial. ABSTRACT The synthesis of sub-micron photoluminescent particles has been widely studied during the past decade because of the promising industrial applications of these materials. A large number of matrices has been developed, being SrAl2O4 host doped with europium (Eu2+) and dysprosium (Dy3+) the most extensively studied, because of its better stability and long-lasting luminescence. These functional inorganic materials have a wide field of application in persistent luminous paints, inks and ceramics. Large attention has been paid to the development of an efficient method of preparation of SrAl2O4 powders, including solgel method, hydrothermal synthesis, laser synthesis, combustion synthesis and solid state reaction. Many of these techniques are not compatible with large-scale production and with the principles of sustainability. Moreover, industrial processing of highly crystalline powders usually requires high synthesis temperatures, typically between 1300 a 1900oC, with long processing times, especially for solid state reaction. As a result, the average particle size is typically within the 20-100 μm range. This large particle size is limiting for current applications that demand sub-micron particles. Therefore, the objective of this work is to develop new approaches to overcome these limitations. Within this frame, it is necessary to undertake the following purposes: To study the parameters that govern the particle size reduction by milling and their relation with the photoluminescence properties. To obtain SrAl2O4:Eu, Dy by combustion synthesis, assessing the effect of the temperature and the amount of fuel (urea) to synthesize highly crystalline particles minimizing the presence of secondary phases. To develop new synthesis methods to obtain SrAl2O4:Eu, Dy powders. The molten salt synthesis has been proposed. As the method is a novel route, the reaction mechanism should be determine as a function of the salt mixture, the ratio of the salt, the kind of Al2O3 and their particle size and the temperature and the atmosphere of the thermal treatment. To improve the efficiency of the synthesis process to obtain SrAl2O4:Eu, Dy powders with optimal final properties and easily scalable. On the basis of decreasing the particle size by using commercial product SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ as raw material, the effects of different milling methods have been evaluated. Wet milling can significantly alter the structure of the material through hydrolysis reaction even in ethanol media. For overcoming the drawbacks of wet milling, a dry milling-based processes are studied. High energy dry milling process allows a great reduction of the particle size, however milling times above 10 min produce agglomeration and accelerates the decrease of the photoluminescence feature. To solve these issues the low energy dry milling process proposed effectively reduces the particle size to d50=2.8 μm, and improves the homogeneity avoiding the amorphization in comparison with previous methods. The X-ray diffraction and scanning electron microscope characterization allow to infer that the large variations in PL (Photoluminescence) values by high energy milling process are a consequence mainly of the crystallite size reduction. The lesser variation in PL values by low energy milling proces is related to the coherent crystalline domain preservation and the unnoticeable amorphization. These results corroborate that the photoluminescence intensity and the persistent luminescence of the SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ powders depend extrinsically on the morphology of the particles such as particle size, grain size, surface damage and intrinsically on the crystallinity (crystallite size); being the intrinsically effects the ones that have a significant influence on the photoluminescent response. By combustion method, nanostructured SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ sheets with a thickness ≤1 μm have been obtained. The amount of fuel (urea) in the reaction has an important influence on the phase composition; urea contents larger than the stoichiometric one require the presence of an oxidant agent such as HNO3 to complete the reaction. A higher amount of urea (excess of urea: denoted m>1, being m=1 the stoichiometric composition) including an oxidizing agent produces SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ particles with persistent luminescence due to the effective chelation of the cations and the creation of suitable atmospheric conditions to reduce the Eu3+ to Eu2+. Therefore, optimizing the synthesis parameters in combustion synthesis by using a higher amount of urea and an internal oxidizing agent allows to complete the reaction. The amount of secondary phases can be significantly reduced and the photoluminescence response can be enhanced. This situation is attributed to a higher energy that improves the crystallinity of the powders. The powders obtained have a particle size c.a. 5-25 μm with a thickness ≤1 μm and require relatively low ignition temperatures (600oC). It is possible to reduce the particle size by a low energy dry milling but this process implies the decrease of the photoluminescent response. However, a post-thermal treatment in a reducing atmosphere allows the improvement of the properties due to the increment of crystallinity and the reduction of Eu3+ to Eu2+. Compared with the powder resulted from solid state method (commercial reference: average particle size, 20 μm and heterogeneous particle size distribution) the emission intensity of the powder prepared by combustion method achieve the values between 35% to 21% of the reference powder intensity. Moreover, the initial intensity of the decay curve is 20% of the intensity of the reference powder. Taking in account these results, it is necessary to explore other methods to synthesize the powders For that reason, an original synthetic route has been developed in this study: the molten salt assisted process to obtain highly crystalline SrAl2O4 powders with nanometric sized crystallites. The molten salt was composed of a mixture of NaCl and KCl using a 0.5:0.5 molar ratio (eutectic mixture hereafter abbreviated as (NaCl-KCl)e). The main advantages of salt addition is the increase of the reaction rate, the significant reduction of the synthesis temperature and the duration of the thermal treatment in comparison with classic solid state method. The SrAl2O4 formation is promoted due to the high mobility of the Sr2+ cations in the liquid medium. Different kinds of Al2O3 have been employed to evaluate the role of the size and the nature of this precursor on the kinetics of reaction, on the morphology and the final properties of the product. The SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ powders have pseudo-spherical morphology and particle size ≤0.5 μm when a sub-micron Al2O3 ( 0.5 μm Al2O3, 0.1 μm Al2O3 and γ-Al2O3) has been used. This can be attributed to a higher reactivity in the system and the dominance of dissolution-precipitation mechanism. However, the use of larger alumina (6 μm Al2O3) modifies the reaction pathway leading to a different reaction evolution. More specifically, the growth of SrAl2O4 sub-micron particles on the surface of hexagonal platelets of 6μm Al2O3 is promoted. The particles retain the shape of the original Al2O3 and this formation process can be attributed to a «core-shell» mechanism. The particles obtained exhibit different photoluminescent response as a function of the final morphology of the powder. Therefore, through this study, it has been elucidated the reaction mechanisms of SrAl2O4 formation assisted by (NaCl-KCl)e that are governed by the diffusion of SrCO3 and the reactivity of the alumina particles. Optimizing the Al2O3/SrO ratio of the SrAl2O4:Eu, Dy powders synthesized with 6 μm Al2O3 as a precursor, the secondary phases and the concentration of dopant needed can be reduced keeping the photoluminescent response of the synthesized powder. Compared with the commercial reference powder, up to 90% of the emission intensity of the reference powder has been achieved for the powder prepared by molten salt method using 6μm Al2O3 as alumina precursor. Concerning the initial intensity of the decay curve, 60% of the initial intensity of the reference powder has been obtained. Additionally, it is necessary to take into account that SrAl2O4 has two polymorphs: monoclinic symmetry that is stable at temperatures below 650oC and hexagonal symmetry that is stable above this temperature. Monoclinic phase shows luminescent properties. However, there is no clear agreement on the emission of the hexagonal structure. By molten salt, it is possible to stabilize the hexagonal phase of SrAl2O4 employing an excess of Al2O3 (Al2O3/SrO: 2) and γ-Al2O3 as a precursor. The existence of nanometric crystalline domains with lower size (≤20 nm) allows the stabilization of the hexagonal phase. Moreover, it has been evidenced that the hexagonal polymorph exhibits photoluminescent response. To sum up, the design of nanostructured SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ materials allows to obtain different morphologies and as consequence different photoluminescent responses. The reduction of temperature, duration of the thermal treatment and the precursors materials needed imply the decrease of the economic cost of the material. Therefore, the viability, suitability and scalability of the synthesis strategy developed in this work to process SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ are demonstrated.

Design, Technology and Characterization of Micromechanised Sensors and Actuators for Harsh Environments

Los sistemas micro electro mecánicos (MEMS) han demostrado ser una exitosa familia de dispositivos que pueden usarse como plataforma para el desarrollo de dispositivos con aplicaciones en óptica, comunicaciones, procesado de señal y sensorización. Los dispositivos MEMS estándar suelen estar fabricados usando tecnología de silicio. Sin embargo, el rendimiento de estos MEMS se puede mejorar si se usan otros materiales. Por ejemplo, el diamante nanocristalino (NCD) ofrece unas excelentes propiedades mecánicas, transparencia y una superficie fácil de funcionalizar. Por otro lado, el sistema de materiales (In; Ga; Al)N, los materiales IIIN, se pueden usar para producir estructuras monocristalinas con alta sensibilidad mecánica y química. Además, el AlN se puede depositar por pulverización catódica reactiva sobre varios substratos, incluyendo NCD, para formar capas policristalinas orientadas con alta respuesta piezoeléctrica. Adicionalmente, tanto el NCD como los materiales III-N muestran una gran estabilidad térmica y química, lo que los hace una elección idónea para desarrollar dispositivos para aplicaciones para alta temperatura, ambientes agresivos e incluso para aplicaciones biocompatibles. En esta tesis se han usado estos materiales para el diseño y medición de demostradores tecnológicos. Se han perseguido tres objetivos principales: _ Desarrollo de unos procesos de fabricación apropiados. _ Medición de las propiedades mecánicas de los materiales y de los factores que limitan el rendimiento de los dispositivos. _ Usar los datos medidos para desarrollar dispositivos demostradores complejos. En la primera parte de esta tesis se han estudiado varias técnicas de fabricación. La estabilidad de estos materiales impide el ataque y dificulta la producción de estructuras suspendidas. Los primeros capítulos de esta disertación se dedican al desarrollo de unos procesos de transferencia de patrones por ataque seco y a la optimización del ataque húmedo sacrificial de varios substratos propuestos. Los resultados de los procedimientos de ataque se presentan y se describe la optimización de las técnicas para la fabricación de estructuras suspendidas de NCD y materiales III-N. En un capítulo posterior se estudia el crecimiento de AlN por pulverización catódica. Como se ha calculado en esta disertación para obtener una actuación eficiente de MEMS, las capas de AlN han de ser finas, típicamente d < 200 nm, lo que supone serias dificultades para la obtención de capas orientadas con respuesta piezoeléctrica. Las condiciones de depósito se han mapeado para identificar las fronteras que proporcionan el crecimiento de material orientado desde los primeros pasos del proceso. Además, durante la optimización de los procesos de ataque se estudió un procedimiento para fabricar películas de GaN nanoporoso. Estas capas porosas pueden servir como capas sacrificiales para la fabricación de estructuras suspendidas de GaN con baja tensión residual o como capas para mejorar la funcionalización superficial de sensores químicos o biológicos. El proceso de inducción de poros se discutirá y también se presentarán experimentos de ataque y funcionalización. En segundo lugar, se han determinado las propiedades mecánicas del NCD y de los materiales III-N. Se han fabricado varias estructuras suspendidas para la medición del módulo de Young y de la tensión residual. Además, las estructuras de NCD se midieron en resonancia para calcular el rendimiento de los dispositivos en términos de frecuencia y factor de calidad. Se identificaron los factores intrínsecos y extrínsecos que limitan ambas figuras de mérito y se han desarrollado modelos para considerar estas imperfecciones en las etapas de diseño de los dispositivos. Por otra parte, los materiales III-N normalmente presentan grandes gradientes de deformación residual que causan la deformación de las estructuras al ser liberadas. Se han medido y modelado estos efectos para los tres materiales binarios del sistema para proporcionar puntos de interpolación que permitan predecir las características de las aleaciones del sistema III-N. Por último, los datos recabados se han usado para desarrollar modelos analíticos y numéricos para el diseño de varios dispositivos. Se han estudiado las propiedades de transducción y se proporcionan topologías optimizadas. En el último capítulo de esta disertación se presentan diseños optimizados de los siguientes dispositivos: _ Traviesas y voladizos de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicados a nanoconmutadores de RF para señales de alta potencia. _ Membranas circulares de AlN=NCD con actuación piezoeléctrica aplicadas a lentes sintonizables. _ Filtros ópticos Fabry-Pérot basados en cavidades aéreas y membranas de GaN actuadas electrostáticamente. En resumen, se han desarrollado unos nuevos procedimientos optimizados para la fabricación de estructuras de NCD y materiales III-N. Estas técnicas se han usado para producir estructuras que llevaron a la determinación de las principales propiedades mecánicas y de los parámetros de los dispositivos necesarios para el diseño de MEMS. Finalmente, los datos obtenidos se han usado para el diseño optimizado de varios dispositivos demostradores. ABSTRACT Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have proven to be a successful family of devices that can be used as a platform for the development of devices with applications in optics, communications, signal processing and sensorics. Standard MEMS devices are usually fabricated using silicon based materials. However, the performance of these MEMS can be improved if other material systems are used. For instance, nanocrystalline diamond (NCD) offers excellent mechanical properties, optical transparency and ease of surface functionalization. On the other hand, the (In; Ga; Al)N material system, the III-N materials, can be used to produce single crystal structures with high mechanical and chemical sensitivity. Also, AlN can be deposited by reactive sputtering on various substrates, including NCD, to form oriented polycrystalline layers with high piezoelectric response. In addition, both NCD and III-N materials exhibit high thermal and chemical stability, which makes these material the perfect choice for the development of devices for high temperatures, harsh environments and even biocompatible applications. In this thesis these materials have been used for the design and measurement of technological demonstrators. Three main objectives have been pursued: _ Development of suitable fabrication processes. _ Measurement of the material mechanical properties and device performance limiting factors. _ Use the gathered data to design complex demonstrator devices. In a first part of the thesis several fabrication processes have been addressed. The stability of these materials hinders the etching of the layers and hampers the production of free standing structures. The first chapters of this dissertation are devoted to the development of a dry patterning etching process and to sacrificial etching optimization of several proposed substrates. The results of the etching processes are presented and the optimization of the technique for the manufacturing of NCD and III-N free standing structures is described. In a later chapter, sputtering growth of thin AlN layers is studied. As calculated in this dissertation, for efficient MEMS piezoelectric actuation the AlN layers have to be very thin, typically d < 200 nm, which poses serious difficulties to the production of c-axis oriented material with piezoelectric response. The deposition conditions have been mapped in order to identify the boundaries that give rise to the growth of c-axis oriented material from the first deposition stages. Additionally, during the etching optimization a procedure for fabricating nanoporous GaN layers was also studied. Such porous layers can serve as a sacrificial layer for the release of low stressed GaN devices or as a functionalization enhancement layer for chemical and biological sensors. The pore induction process will be discussed and etching and functionalization trials are presented. Secondly, the mechanical properties of NCD and III-N materials have been determined. Several free standing structures were fabricated for the measurement of the material Young’s modulus and residual stress. In addition, NCD structures were measured under resonance in order to calculate the device performance in terms of frequency and quality factor. Intrinsic and extrinsic limiting factors for both figures were identified and models have been developed in order to take into account these imperfections in the device design stages. On the other hand, III-N materials usually present large strain gradients that lead to device deformation after release. These effects have been measured and modeled for the three binary materials of the system in order to provide the interpolation points for predicting the behavior of the III-N alloys. Finally, the gathered data has been used for developing analytic and numeric models for the design of various devices. The transduction properties are studied and optimized topologies are provided. Optimized design of the following devices is presented at the last chapter of this dissertation: _ AlN=NCD piezoelectrically actuated beams applied to RF nanoswitches for large power signals. _ AlN=NCD piezoelectrically actuated circular membranes applied to tunable lenses. _ GaN based air gap tunable optical Fabry-Pérot filters with electrostatic actuation. On the whole, new optimized fabrication processes has been developed for the fabrication of NCD and III-N MEMS structures. These processing techniques was used to produce structures that led to the determination of the main mechanical properties and device parameters needed for MEMS design. Lastly, the gathered data was used for the design of various optimized demonstrator devices.

Desarrollo de métodos para la evaluación integrada de propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos mediante tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser

El tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser, LSP, es una técnica cuyo principal objetivo es el de la modificación del estado tensional de las primeras micras en profundidad de materiales metálicos. En sus comienzos está técnica fue empleada para inducir tensiones residuales de compresión en superficie, pero mientras se avanzaba en su desarrollo se empezaron a observar otros efectos. Profundizando en ellos se llega a la conclusión de que existe una fuerte relación entre todos, pero dependiendo de la aplicación a la que se vea sometido un componente tratado con LSP será necesario una serie de características que bien pueden ser ajustadas “a priori”. Para ello se ha de tener una buena caracterización del proceso láser y de las modificaciones que produce en las propiedades de un material determinado. Y es en este punto donde surge el problema: las modificaciones introducidas por el tratamiento láser son dependientes de la interacción de la energía del pulso láser con el material, es decir, para cada material es necesaria una caracterización previa de cómo sus propiedades son modificadas con las diferentes configuraciones del tratamiento LSP, encontrando para cada material un óptimo en los parámetros láser. En esta Tesis se pretende desarrollar una metodología para evaluar las modificaciones en las propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos debido al tratamiento superficial por ondas de choque. De esta manera y avanzando de una manera lógica con la línea de investigación del grupo, se ha querido aplicar todo el conocimiento adquirido de la técnica para desarrollar esa metodología sobre un caso práctico: el empleo de dos configuraciones de tratamiento LSP sobre el acero inoxidable AISI 316L. Estas dos configuraciones elegidas se hacen en base a estudios previos, por parte del grupo de investigación, donde se han optimizados los parámetros para obtener el óptimo en lo que a perfil de tensiones residuales en profundidad se refiere. El material elegido como caso característico para llevar acabo la evaluación integrada del tratamiento LSP, de acuerdo con el propósito de esta Tesis, ha sido el acero inoxidable AISI 316L, debido a que este tipo de acero tiene una excelente resistencia a la corrosión en un amplio rango de atmosferas corrosivas, y es conocido como el grado estándar para un importante número de aplicaciones tecnológicas. La resistencia a la oxidación es buena incluso a altas temperaturas de servicio y la soldabilidad es excelente. Los aceros austeníticos son empleados en aplicaciones que soportan condiciones de alta temperatura y medios altamente corrosivos, como en reactores nucleares. Estos aceros resisten la corrosión en el agua de un reactor y procesos químicos en plantas que operan a temperaturas superiores a los 900 ˚C. En concreto el acero 316L se utiliza en la industria de equipamiento alimentario, en ambientes donde haya presencia de cloruros, en aplicaciones farmacéuticas, en la industria naval, en arquitectura, sector energético, centrales nucleares y en implantes médicos. Es decir, es un material ampliamente implantado en la industria, tanto en industrias tradicionales, como en industrias emergentes como la biomédica. El objetivo marcado para el desarrollo de la presente Tesis es caracterizar de forma precisa cómo el tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser es capaz de mejorar las propiedades de los materiales y cómo de estables son estas con la temperatura. Este punto es importante puesto que a la hora de introducir el proceso LSP en la industria no solo se tiene que tener en cuenta que las propiedades del material sean mejoradas, sino que también es necesario comprobar si esas mejoras se mantienen después de ser sometido el material a un tratamiento térmico ya que las condiciones de servicio de los materiales y componentes empleados no tienen por qué trabajar a temperatura ambiente. Para lograr el objetivo mencionado, el trabajo experimental realizado en la aleación seleccionada bajo todas las condiciones a estudio (material según fue recibido de fábrica, tratado con las dos configuraciones LSP y después de haber sido sometido al tratamiento térmico) ha consistido en lo siguiente: i) Estudios microestructural, morfológico y de composición química. ii) Medida de las tensiones residuales introducidas. iii) Caracterización superficial del material. iv) Estudio de las propiedades mecánicas: ensayos de tracción, ensayos de dureza, cálculo de la densidad de dislocaciones y ensayos de fatiga. v) Caracterización tribológica: ensayos de fricción y cálculo de la tasa de desgaste y volumen eliminado. vi) Caracterización electro-química para el material base y tratado con las dos configuraciones LSP. Se realizan medidas a circuito abierto, curvas de polarización (OCP), ensayos potenciostáticos y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El trabajo se ha llevado a cabo en los laboratorios del Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid.

Modelización de la gasificación de lodos de depuradoras urbanas

La gasificación de lodos de depuración consiste en la conversión termoquímica del lodo por oxidación parcial a alta temperatura mediante un agente gasificante, que generalmente es aire, oxígeno o vapor de agua. Se trata de una tecnología de gran interés, ya que consigue reducir la masa de estos residuos y permite el aprovechamiento de los gases formados, tanto en la generación de energía térmica y/o eléctrica como en la síntesis de productos químicos orgánicos y combustibles líquidos. Debido a la complejidad de este proceso, es útil el uso de modelos que faciliten su estudio de forma fiable y a bajo coste. El presente Proyecto Fin de Carrera se centra en el diseño de un modelo adimensional de equilibrio en estado estacionario basado en la minimización de la energía libre de Gibbs. Para ello, se ha empleado el software de simulación de procesos Aspen Plus, que posee una amplia base de datos de propiedades físicas y permite gran flexibilidad en el manejo de sólidos. Para la elaboración del modelo se han asumido las hipótesis de mezcla perfecta dentro del reactor y operación isoterma. El gasificador se ha considerado de lecho fluidizado burbujeante, al permitir un buen control de la temperatura y una alta transferencia de materia y energía entre el sólido y el agente gasificante. El modelo desarrollado consta de cuatro etapas. La primera reproduce el proceso de pirólisis o descomposición térmica de los componentes del lodo en ausencia de agente gasificante. En la segunda etapa se simula que todo el nitrógeno y el azufre contenidos en el lodo se transforman en amoniaco y ácido sulfhídrico, respectivamente. En la tercera etapa se produce la gasificación en dos reactores. El primer gasificador alcanza el equilibrio químico mediante la minimización de la energía libre de Gibbs del sistema. En el segundo reactor se establece un equilibrio restringido por medio de la especificación de una aproximación de temperatura para cada reacción. Este método permite validar los resultados del modelo con datos reales. En la última etapa se separa el residuo carbonoso o char (compuesto por carbono y cenizas) del gas de salida, formado por N2, H2, CO, CO2, CH4 (supuesto como único hidrocarburo presente), NH3, H2S y H2O. Este gas debe ser depurado mediante equipos de limpieza aguas abajo. Los resultados de la simulación del modelo han sido validados frente a los valores obtenidos en ensayos previos llevados a cabo en la planta de gasificación a escala de laboratorio ubicada en el Departamento de Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. Estos resultados han mostrado muy buena concordancia con los obtenidos experimentalmente, con un error inferior al 7% en todos los parámetros analizados en el caso de gasificación con aire y menor al 13% cuando se utiliza una mezcla aire/vapor de agua como agente gasificante. Se ha realizado un análisis de sensibilidad con el fin de estudiar la influencia de las condiciones de operación (temperatura, ratio equivalente y ratio vapor/biomasa) sobre los resultados del proceso modelado (composición, producción y poder calorífico inferior de los gases, conversión de carbono y eficiencia de la gasificación). Para ello, se han llevado a cabo diferentes simulaciones modificando la temperatura de gasificación entre 750ºC y 850ºC, el ratio equivalente (ER) entre 0,2 y 0,4 y el ratio vapor/biomasa (S/B) entre 0 y 1. Como ya ocurriera con la validación del modelo, los resultados de las simulaciones bajo las distintas condiciones de gasificación se ajustan de forma satisfactoria a los valores experimentales. Se ha encontrado que un aumento en la temperatura mejora la cantidad y la calidad del gas producido y, por tanto, la eficiencia del proceso. Un incremento del ratio equivalente reduce la concentración de CO y H2 en el gas y, en consecuencia, también su poder calorífico. Sin embargo, valores bajos del ratio equivalente disminuyen la producción de gases y la conversión de carbono. La alimentación de vapor de agua en el sistema mejora todos los parámetros analizados. Por tanto, dentro del rango estudiado, las condiciones de operación que optimizan el proceso de gasificación de lodos consisten en el empleo de mezclas aire/vapor de agua como agente gasificante, una temperatura de 850ºC y un ER de 0,3.

Diseño, Implementación y Verificación de un Sensor de Temperatura CMOS de Bajo Coste y Alta Funcionalidad

En este proyecto, se presenta un sensor de temperatura integrado CMOS basado en la medida de una variable secundaria, cuyo valor es dependiente de la temperatura, como es el tiempo de subida que presenta una señal eléctrica en sus flancos de subida. Con el objetivo de reducir coste y potencia consumida, el sensor integrado de temperatura propuesto genera un pulso con un ancho proporcional a la temperatura medida. Este sensor para realizar la medida elimina la necesidad de tener una señal que sirva de referencia. El área ocupada por este modelo de sensor es de 1.8967mm2, siendo éste fabricado en tecnología CMOS de 0.35µm de 4 capas de metal. Gracias a la excelente linealidad que presenta la salida digital del sensor, el error de medida alcanzado es como máximo de ±0.520ºC. La resolución efectiva mostrada en el caso peor es de 0.7ºC, y el consumo de potencia se encuentra por debajo de los 263µW, con una velocidad de realización de medidas que puede llegar a alcanzar las 1.5x10^6 medidas por segundo.

Effect of endurance, speed and strength training on skin temperature measured by infrared thermography = Efecto del entrenamiento de resistencia, velocidad y fuerza en la temperatura de la piel a través de la termografía infrarroja

La termografía infrarroja (TI) es una técnica no invasiva y de bajo coste que permite, con el simple acto de tomar una fotografía, el registro sin contacto de la energía que irradia el cuerpo humano (Akimov & Son’kin, 2011, Merla et al., 2005, Ng et al., 2009, Costello et al., 2012, Hildebrandt et al., 2010). Esta técnica comenzó a utilizarse en el ámbito médico en los años 60, pero debido a los malos resultados como herramienta diagnóstica y la falta de protocolos estandarizados (Head & Elliot, 2002), ésta se dejó de utilizar en detrimento de otras técnicas más precisas a nivel diagnóstico. No obstante, las mejoras tecnológicas de la TI en los últimos años han hecho posible un resurgimiento de la misma (Jiang et al., 2005, Vainer et al., 2005, Cheng et al., 2009, Spalding et al., 2011, Skala et al., 2012), abriendo el camino a nuevas aplicaciones no sólo centradas en el uso diagnóstico. Entre las nuevas aplicaciones, destacamos las que se desarrollan en el ámbito de la actividad física y el deporte, donde recientemente se ha demostrado que los nuevos avances con imágenes de alta resolución pueden proporcionar información muy interesante sobre el complejo sistema de termorregulación humana (Hildebrandt et al., 2010). Entre las nuevas aplicaciones destacan: la cuantificación de la asimilación de la carga de trabajo físico (Čoh & Širok, 2007), la valoración de la condición física (Chudecka et al., 2010, 2012, Akimov et al., 2009, 2011, Merla et al., 2010), la prevención y seguimiento de lesiones (Hildebrandt et al., 2010, 2012, Badža et al., 2012, Gómez Carmona, 2012) e incluso la detección de agujetas (Al-Nakhli et al., 2012). Bajo estas circunstancias, se acusa cada vez más la necesidad de ampliar el conocimiento sobre los factores que influyen en la aplicación de la TI en los seres humanos, así como la descripción de la respuesta de la temperatura de la piel (TP) en condiciones normales, y bajo la influencia de los diferentes tipos de ejercicio. Por consiguiente, este estudio presenta en una primera parte una revisión bibliográfica sobre los factores que afectan al uso de la TI en los seres humanos y una propuesta de clasificación de los mismos. Hemos analizado la fiabilidad del software Termotracker, así como su reproducibilidad de la temperatura de la piel en sujetos jóvenes, sanos y con normopeso. Finalmente, se analizó la respuesta térmica de la piel antes de un entrenamiento de resistencia, velocidad y fuerza, inmediatamente después y durante un período de recuperación de 8 horas. En cuanto a la revisión bibliográfica, hemos propuesto una clasificación para organizar los factores en tres grupos principales: los factores ambientales, individuales y técnicos. El análisis y descripción de estas influencias deben representar la base de nuevas investigaciones con el fin de utilizar la TI en las mejores condiciones. En cuanto a la reproducibilidad, los resultados mostraron valores excelentes para imágenes consecutivas, aunque la reproducibilidad de la TP disminuyó ligeramente con imágenes separadas por 24 horas, sobre todo en las zonas con valores más fríos (es decir, zonas distales y articulaciones). Las asimetrías térmicas (que normalmente se utilizan para seguir la evolución de zonas sobrecargadas o lesionadas) también mostraron excelentes resultados pero, en este caso, con mejores valores para las articulaciones y el zonas centrales (es decir, rodillas, tobillos, dorsales y pectorales) que las Zonas de Interés (ZDI) con valores medios más calientes (como los muslos e isquiotibiales). Los resultados de fiabilidad del software Termotracker fueron excelentes en todas las condiciones y parámetros. En el caso del estudio sobre los efectos de los entrenamientos de la velocidad resistencia y fuerza en la TP, los resultados muestran respuestas específicas según el tipo de entrenamiento, zona de interés, el momento de la evaluación y la función de las zonas analizadas. Los resultados mostraron que la mayoría de las ZDI musculares se mantuvieron significativamente más calientes 8 horas después del entrenamiento, lo que indica que el efecto del ejercicio sobre la TP perdura por lo menos 8 horas en la mayoría de zonas analizadas. La TI podría ser útil para cuantificar la asimilación y recuperación física después de una carga física de trabajo. Estos resultados podrían ser muy útiles para entender mejor el complejo sistema de termorregulación humano, y por lo tanto, para utilizar la TI de una manera más objetiva, precisa y profesional con visos a mejorar las nuevas aplicaciones termográficas en el sector de la actividad física y el deporte Infrared Thermography (IRT) is a safe, non-invasive and low-cost technique that allows the rapid and non-contact recording of the irradiated energy released from the body (Akimov & Son’kin, 2011; Merla et al., 2005; Ng et al., 2009; Costello et al., 2012; Hildebrandt et al., 2010). It has been used since the early 1960’s, but due to poor results as diagnostic tool and a lack of methodological standards and quality assurance (Head et al., 2002), it was rejected from the medical field. Nevertheless, the technological improvements of IRT in the last years have made possible a resurgence of this technique (Jiang et al., 2005; Vainer et al., 2005; Cheng et al., 2009; Spalding et al., 2011; Skala et al., 2012), paving the way to new applications not only focused on the diagnose usages. Among the new applications, we highlighted those in physical activity and sport fields, where it has been recently proven that a high resolution thermal images can provide us with interesting information about the complex thermoregulation system of the body (Hildebrandt et al., 2010), information than can be used as: training workload quantification (Čoh & Širok, 2007), fitness and performance conditions (Chudecka et al., 2010, 2012; Akimov et al., 2009, 2011; Merla et al., 2010; Arfaoui et al., 2012), prevention and monitoring of injuries (Hildebrandt et al., 2010, 2012; Badža et al., 2012, Gómez Carmona, 2012) and even detection of Delayed Onset Muscle Soreness – DOMS- (Al-Nakhli et al., 2012). Under this context, there is a relevant necessity to broaden the knowledge about factors influencing the application of IRT on humans, and to better explore and describe the thermal response of Skin Temperature (Tsk) in normal conditions, and under the influence of different types of exercise. Consequently, this study presents a literature review about factors affecting the application of IRT on human beings and a classification proposal about them. We analysed the reliability of the software Termotracker®, and also its reproducibility of Tsk on young, healthy and normal weight subjects. Finally, we examined the Tsk thermal response before an endurance, speed and strength training, immediately after and during an 8-hour recovery period. Concerning the literature review, we proposed a classification to organise the factors into three main groups: environmental, individual and technical factors. Thus, better exploring and describing these influence factors should represent the basis of further investigations in order to use IRT in the best and optimal conditions to improve its accuracy and results. Regarding the reproducibility results, the outcomes showed excellent values for consecutive images, but the reproducibility of Tsk slightly decreased with time, above all in the colder Regions of Interest (ROI) (i.e. distal and joint areas). The side-to-side differences (ΔT) (normally used to follow the evolution of some injured or overloaded ROI) also showed highly accurate results, but in this case with better values for joints and central ROI (i.e. Knee, Ankles, Dorsal and Pectoral) than the hottest muscle ROI (as Thigh or Hamstrings). The reliability results of the IRT software Termotracker® were excellent in all conditions and parameters. In the part of the study about the effects on Tsk of aerobic, speed and strength training, the results of Tsk demonstrated specific responses depending on the type of training, ROI, moment of the assessment and the function of the considered ROI. The results showed that most of muscular ROI maintained warmer significant Tsk 8 hours after the training, indicating that the effect of exercise on Tsk last at least 8 hours in most of ROI, as well as IRT could help to quantify the recovery status of the athlete as workload assimilation indicator. Those results could be very useful to better understand the complex skin thermoregulation behaviour, and therefore, to use IRT in a more objective, accurate and professional way to improve the new IRT applications for the physical activity and sport sector.

Estudio del comportamiento del hormigón de alta resistencia reforzado con fibras de acero frente al impacto de proyectiles

En la presente investigación se buscó estudiar el efecto de la adición de fibras metálicas como refuerzo en hormigones de alta resistencia, y en especial su comportamiento frente al impacto de proyectiles. Se efectuó el estudio sobre un hormigón de alta resistencia (HAR), analizando los aspectos mecánicos, durabilidad y trabajabilidad para su colocación en obra. Las pruebas de laboratorio se llevaron a cabo en el Laboratorio de Materiales de Construcción de la Escuela Técnica Superior de Caminos Canales y Puertos de la UPM y los ensayos balísticos en la galería de tiro cubierta del Polígono de Experiencia de Carabanchel, adscrito a la Dirección General de Infraestructura del Ministerio de la Defensa. La caracterización del HAR empleado en el estudio se centró en los aspectos de resistencias mecánicas a compresión, tracción, flexotracción, tenacidad a flexotracción, punzonamiento, retracción, fluencia, temperatura interna y resistencia al impacto de proyectiles, siempre buscando de manera primordial analizar el efecto de la adición de fibras en el hormigón de alta resistencia. El programa de ensayos balísticos comprendió la fabricación de 47 placas de hormigón de diferentes espesores, desde 5 a 40 cm., 26 de dichas placas eran de HAR con una adición de fibras metálicas de 80 kg/m3, 11 de ellas eran de HAR sin fibras y 10 de un hormigón de resistencia convencional con y sin fibras; sobre dichas placas se efectuaron diversos impactos con proyectiles de los cuatro calibres siguientes: 7.62 AP, 12.70 M8, 20 mm APDS y 25 mm APDS. Las pruebas mostraron que el HAR presenta una mayor resistencia a los impactos de proyectiles, aunque sin la adición de fibras su fragilidad es un serio inconveniente para su utilización como barrera protectora, la adición de fibras reduce considerablemente la fragmentación en la cara posterior “scabbing” y en menor medida en la cara anterior “spalling”. También se incrementa la capacidad del hormigón a la resistencia de múltiples impactos. Se efectuó un estudio de las diferentes formulas y modelos, en especial el modelo desarrollado por Moreno [60], que se vienen utilizando para el diseño de barreras protectoras de hormigón contra impacto de proyectiles, analizando su viabilidad en el caso del hormigón de alta resistencia, hormigón para el cual no fueron desarrolladas y para el que no existen bases de cálculo específicas. In this research we have tried to study the effect of adding metallic fibres as a means of reinforcing high strength concrete, and especially its behaviour when impacted upon by projectiles. The study was carried out using high strength concrete (HSC), analysing its mechanical facets, durability and malleability when used in construction. The laboratory tests took place in the Laboratorio de Materiales de Construcción of the Escuela Técnica Superior de Caminos Canales y Puertos of the Universidad Politécnica de Madrid, and the ballistic tests were carried out in the covered shooting gallery of the Polígono de Experiencias in Carabanchel (Madrid), belongs to the Departamento de Infraestructura of the Ministerio de Defensa. The aspects of the HSC studied are its mechanical strength to compression, traction, flexotraction, resilience to flexo-traction, shear strength, creep, shrinkage, internal temperature and strength to the impact of projectiles, always looking to analyse the effect of adding fibres to HSC. The ballistic testing process required the construction of 47 concrete plates of different thicknesses, from 5 to 40 cm, 26 made which HSC containing of 80 kg/m3 metallic fibres of, 11 made of HSC without fibres, and 10 made with concrete of normal strength with and without fibres. These plates were subjected to a variety of impacts by four projectile, 7.62 AP, 12.70 M8, 20 mm APDS and 25 mm APDS. The results showed that HSC has a greater resistance to the impact of projectiles, although without the addition of fibres, its fragility makes it much less suitable for use as a protective barrier. The addition of fibres reduces considerably frontal fragmentation, known as “scabbing”, and to a lesser extent causes fragmentation of the reverse side, known as “spalling”. In addition, the concrete’s capacity to resist multiple impacts is improved by its letter ductility. A study was carried out on the various formulae and models used to design protective concrete barriers impacted on by projectiles, analysing their viability in the case of HSC for which they were not developed and for which no specific calculations exist.

Desarrollo y caracterización de un material celular de alta porosidad con base cementicia activada mediante agentes inorgánicos

Esta tesis ha estudiado los morteros celulares, centrándose en la experimentación con pastas de cemento aireadas (PCA) con polvo de aluminio como agente expansor. El objetivo es el desarrollo de un material cementicio con una baja conductividad térmica que sirva como aislamiento térmico. La naturaleza inorgánica del material lo hace incombustible, en contraste con las espumas poliméricas existentes en el mercado, cuya aplicación en cámaras ventiladas ha sido prohibida por normativas de construcción tanto a nivel nacional como internacional. Las posibles aplicaciones son con proyección neumática o en paneles prefabricados. Se han ensayado dos series de pastas de cemento con polvo de aluminio: - Serie WPC/CAC/CH. Mezcla de referencia con cemento blanco (WPC), cemento de aluminato cálcico (CAC) y cal aérea (CH) en proporción 5:1:4. - Serie OPC/CH. Mezcla de referencia con cemento portland con cenizas volantes (OPC) y cal aérea (CH) en proporción OPC/CH de 4:1 A las mezclas de referencia se le han añadido adiciones de metacaolín (MK) (10 y 20%) o sepiolita (SP) (1 y 2%) para observar el efecto que producen tanto en el mortero fresco como en el mortero endurecido. Se ha estudiado la reología de las pastas en estado fresco, analizando el proceso de expansión de las pastas, registrando los valores de tensión de fluencia, aire ocluido y temperatura durante la expansión. Con los valores obtenidos se ha discutido la influencia de las adiciones utilizadas en la cinética de corrosión del polvo de aluminio que genera la expansión, concluyendo que las adiciones puzolánicas (CV y MK) y la SP reducen mucho el periodo de inducción, lo que provoca poros más grandes y mayor cantidad de aire ocluido. Asimismo se ha analizado la relación entre la tensión de fluencia y el contenido de aire ocluido, deduciendo que a mayor tensión de fluencia en el momento de iniciarse la expansión, menor tamaño de poros y contenido de aire ocluido. Finalmente, se han obtenido las densidades y capacidades de retención de agua de los morteros frescos. Para caracterizar la red porosa de las pastas aireadas endurecidas, se obtuvieron tanto las densidades reales, netas, aparentes y relativas como las porosidades abiertas, cerradas y totales con ensayos hídricos. Finalmente se obtuvieron imágenes de los poros con tomografía axial computerizada para obtener las porosimetrías de las muestras. La caracterización de la red porosa ha servido para terminar de analizar lo observado en la evolución de la expansión del mortero fresco. Se ha analizado la influencia de la red porosa en la conductividad térmica, obtenida con caja caliente, comparándola con la existente en la literatura existente tanto de morteros celulares como de espumas poliméricas. Se concluye que los valores de conductividad térmica conseguida están en el mínimo posible para un material celular de base cementicia. La microestructura se ha estudiado con microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X y ensayos térmicos TG/ATD, observando que los productos de hidratación encontrados coinciden con los que se producen en morteros sin airear. Las imágenes SEM y los resultados de ultrasonidos han servido para analizar la presencia de microfisuras de retracción en las pastas aireadas, observando que en las muestras con adiciones de MK y SP, se reduce la presencia de microfisuras. ABSTRACT This thesis has studied cellular mortars, focusing in testing aerated cement pastes with aluminum powder as expansive agent. The purpose is the development of a cementitious material with low thermal conductivity that can be used as thermal isolation. Inorganic nature of this material makes it non-combustible, in contrast with polymeric foams in market, whose application in ventilated double skin façade systems has been banned by building standards, both domestically and internationally. Possible uses for this material are pneumatically sprayed applications and precast panels. Two series of batches with aluminum powder have been tested: - WPC/CAC/CH series. Reference paste with white portland cement (WPC), calcium aluminate cement (CAC) and lime (CH) with 5:1:4 ratio. - OPC/CH series. Reference paste with portland cement with fly ash (OPC) and lime (CH) with 4:1 ratio. Metakaolin (MK) (10 and 20%) or sepiolite (SP) (1 and 2%) additions were used in reference pastes to characterize the effect in fresh and hardened mortar. Rheology in fresh pastes was studied, expansion process of pastes was analyzed, recording yield stress, entrained air and temperature values during expansion. Recorded values were used to discuss influence of additions on reaction kinetics of aluminum powder corrosion, that produces expansion.. Conclusion is that pozzolanic additions (FA and MK) and SP greatly reduce induction period, producing bigger pores and more entrained air. Relation between yield stress and entrained air has been also analyzed, observing that the bigger yield stress at beginning of expansion, the smaller pores size and the lower entrained air values. Finally density and water retention of fresh mortars were obtained. Pore network in hardened aerated cement pastes was characterized by imbibition methods providing true, bulk and relative density, and providing also open, closed and total porosity. Finally, pore system imaging were obtained with computerized axial tomography to study porosimetry of specimens. Pore network characterization was useful to complete facts analysis observed in expansion of fresh mortars. Influence of pore network in thermal conductivity, checked in hot box, was analyzed comparing with those existing values in cellular mortar and polymeric foams researches. It was concluded that thermal conductivity values achieved are close to minimum possible in a cementitious cellular material. Microstructure was studied with Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffractometry and TG-DTA analysis, observing that hydration phases found, are those produced in non aerated mortar. SEM imaging and ultrasound results were useful to analyze shrinkage microcracks in aerated cement pastes, concluding that microcrack presence in specimens with MK and SP additions were reduced.

Detección precoz de mortalidad en producciones avícolas empleando termografía de alta resolución.

Las modernas instalaciones para la producción avícola de puesta agrupan un muy elevado número de individuos en baterías de jaulas. Esta disposición supone un reto de cara al control de temperaturas dentro de las naves, para garantizar que éstas se encuentren dentro del intervalo de confort térmico de los animales (12-24°C en el caso de ponedoras). Asimismo, la detección temprana de posibles individuos con problemas o muertos resulta una tarea imprescindible para asegurar el bienestar de los animales restantes. La supervisión continúa y multidistribuida de la temperatura en los gallineros puede contribuir al primer aspecto mencionado, mientras que la detección temprana de animales muertos o afectados por alteraciones que conllevan cambios en su temperatura, podría acometerse mediante imagen térmica. La imagen térmica es una técnica basada en la conversión del espectro de radiación infrarroja de un objeto a imágenes visibles para su posterior análisis. La posibilidad de determinar temperaturas a distancia y con una resolución espacial suficiente hace esta técnica especialmente adecuada para la monitorización de la temperatura de los animales en las actuales instalaciones comerciales. Así pues, el objetivo principal del presente trabajo es mejorar el bienestar animal de ponedoras en instalaciones evaluando: a) la viabilidad de la imagen térmica para la identificación temprana de ejemplares muertos y b) la viabilidad de implementación de dispositivos autónomos registradores de Tª tipo RFID TurboTag para la supervisión ambiental. El presente trabajo analiza los resultados obtenidos a partir de la toma de imágenes térmicas de gallinas eutanasiadas durante dos sesiones de necropsias dentro de un estudio de evaluación de dos programas de vacunación frente a Salmonella llevado a cabo por el Centro de Vigilancia Sanitaria Veterinaria (VISAVET-UCM) de marzo a abril de 2012. Los resultados obtenidos muestran cómo el enfriamiento de las zonas más expuestas (cara, cresta y patas) puede ajustarse mediante una regresión logística con un elevado coeficiente de determinación (r2 superior a 0.97). La implementación de un sistema automatizado para la detección temprana de individuos muertos en instalaciones comerciales requiere del empleo de técnicas de análisis de imagen, apuntadas en este trabajo, y de la realización de estudios adicionales bajo condiciones climáticas más amplias. Además, las tarjetas TurboTag suponen una herramienta eficaz (detectándose diferencias de Tª de hasta 40ºC entre distintas ubicaciones y a lo largo del periodo de medidas) y de bajo coste para la caracterización ambiental de los gallineros.

Desarrollo de un método estadístico para la generación de escenarios climáticos de alta resolución a partir de simulaciones de baja resolución de Modelos de Circulación General: aplicación a España

Esta tesis doctoral presenta el desarrollo, verificación y aplicación de un método original de regionalización estadística para generar escenarios locales de clima futuro de temperatura y precipitación diarias, que combina dos pasos. El primer paso es un método de análogos: los "n" días cuya configuración atmosférica de baja resolución es más parecida a la del día problema, se seleccionan de un banco de datos de referencia del pasado. En el segundo paso, se realiza un análisis de regresión múltiple sobre los "n" días más análogos para la temperatura, mientras que para la precipitación se utiliza la distribución de probabilidad de esos "n" días análogos para obtener la estima de precipitación. La verificación de este método se ha llevado a cabo para la España peninsular y las Islas Baleares. Los resultados muestran unas buenas prestaciones para temperatura (BIAS cerca de 0.1ºC y media de errores absolutos alrededor de 1.9ºC); y unas prestaciones aceptables para la precipitación (BIAS razonablemente bajo con una media de -18%; error medio absoluto menor que para una simulación de referencia (la persistencia); y una distribución de probabilidad simulada similar a la observada según dos test no-paramétricos de similitud). Para mostrar la aplicabilidad de la metodología desarrollada, se ha aplicado en detalle en un caso de estudio. El método se aplicó a cuatro modelos climáticos bajo diferentes escenarios futuros de emisiones de gases de efecto invernadero, para la región de Aragón, produciendo así proyecciones futuras de precipitación y temperaturas máximas y mínimas diarias. La fiabilidad de la técnica de regionalización fue evaluada de nuevo para el caso de estudio mediante un proceso de verificación. Para determinar la capacidad de los modelos climáticos para simular el clima real, sus simulaciones del pasado (la denominada salida 20C3M) se regionalizaron y luego se compararon con el clima observado (los resultados son bastante robustos para la temperatura y menos concluyentes para la precipitación). Las proyecciones futuras a escala local presentan un aumento significativo durante todo el siglo XXI de las temperaturas máximas y mínimas para todos los futuros escenarios de emisiones considerados. Las simulaciones de precipitación presentan mayores incertidumbres. Además, la aplicabilidad práctica del método se demostró también mediante su utilización para producir escenarios climáticos futuros para otros casos de estudio en los distintos sectores y regiones del mundo. Se ha prestado especial atención a una aplicación en Centroamérica, una región que ya está sufriendo importantes impactos del cambio climático y que tiene un clima muy diferente. ABSTRACT This doctoral thesis presents the development, verification and application of an original downscaling method for daily temperature and precipitation, which combines two statistical approaches. The first step is an analogue approach: the “n” days most similar to the day to be downscaled are selected. In the second step, a multiple regression analysis using the “n” most analogous days is performed for temperature, whereas for precipitation the probability distribution of the “n” analogous days is used to obtain the amount of precipitation. Verification of this method has been carried out for the Spanish Iberian Peninsula and the Balearic Islands. Results show good performance for temperature (BIAS close to 0.1ºC and Mean Absolute Errors around 1.9ºC); and an acceptable skill for precipitation (reasonably low BIAS with a mean of - 18%, Mean Absolute Error lower than for a reference simulation, i.e. persistence, and a well-simulated probability distribution according to two non-parametric tests of similarity). To show the applicability of the method, a study case has been analyzed. The method was applied to four climate models under different future emission scenarios for the region of Aragón, thus producing future projections of daily precipitation and maximum and minimum temperatures. The reliability of the downscaling technique was re-assessed for the study case by a verification process. To determine the ability of the climate models to simulate the real climate, their simulations of the past (the 20C3M output) were downscaled and then compared with the observed climate – the results are quite robust for temperature and less conclusive for the precipitation. The downscaled future projections exhibit a significant increase during the entire 21st century of the maximum and minimum temperatures for all the considered future emission scenarios. Precipitation simulations exhibit greater uncertainties. Furthermore, the practical applicability of the method was demonstrated also by using it to produce future climate scenarios for some other study cases in different sectors and regions of the world. Special attention was paid to an application of the method in Central America, a region that is already suffering from significant climate change impacts and that has a very different climate from others where the method was previously applied.