Effects of diet and exercise on metabolic syndrome and the underlying factors = Efectos de la dieta y el ejercicio sobre el síndrome metabólico y sus factores

Introducción. El número de personas que padecen síndrome metabólico ha incrementado a nivel mundial durante las últimas dos décadas. Existen numerosos estudios que tratan de comparar prevalencias según los diferentes criterios y estimaciones del riesgo metabólico. De ellos se puede concluir que el principal hallazgo ha sido recalcar la necesidad de una definición estándar universal. A pesar de estas discrepancias no hay lugar a duda sobre el problema de salud pública que esto conlleva. Se necesitan medidas y estrategias urgentes para prevenir y controlar esta emergente epidemia global y para ello se debe prestar especial atención a los cambios en el estilo de vida, fundamentalmente dieta y ejercicio. A pesar de todo, existe a día de hoy una importante controversia sobre el tipo de ejercicio más efectivo y su combinación con la dieta para conseguir mejoras en la salud. Objetivos. Estudiar los índices de riesgo metabólico empleados en la literatura científica y las terapias basadas en dieta y ejercicio para el tratamiento de los factores del síndrome metabólico en adultos con sobrepeso. Diseño de investigación. Los datos empleados en el análisis de esta tesis son, primeramente un estudio piloto, y posteriormente parte del estudio “Programas de Nutrición y Actividad Física para el tratamiento de la obesidad” (PRONAF). El estudio PRONAF es un proyecto consistente en un estudio clínico sobre programas de nutrición y actividad física para el sobrepeso y la obesidad, desarrollado en España durante varios años de intervenciones. Fue diseñado, en parte, para tratar de comparar protocolos de entrenamiento de resistencia, cargas y combinado en igualdad de volumen e intensidad, con el objetivo de evaluar su impacto en los factores de riesgo y la prevalencia del síndrome metabólico en personas con sobrepeso y obesidad. El diseño experimental es un control aleatorio y el protocolo incluye 3 modos de ejercicio (entrenamiento de resistencia, con cargas y combinado) y restricción dietética sobre diversas variables determinantes del estado de salud. Las principales variables para la investigación que comprende esta tesis fueron: actividad física habitual, marcadores de grasa corporal, niveles de insulina, glucosa, triglicéridos, colesterol total, colesterol HDL, colesterol LDL, presión arterial y parámetros relacionados con el ejercicio. Conclusiones. A) Los índices de riesgo metabólico estudiados presentan resultados contradictorios en relación al riesgo metabólico en un individuo, dependiendo de los métodos matemáticos empleados para el cálculo y de las variables introducidas, tanto en mujeres sanas como en adultos en sobrepeso. B) El protocolo de entrenamiento combinado (de cargas y de resistencia) junto con la dieta equilibrada propuesto en este estudio fue la mejor estrategia para la mejora del riesgo de síndrome metabólico en adultos con sobrepeso. C) Los protocolos de entrenamiento supervisado de resistencia, con cargas y combinado junto con la restricción nutricional, no obtuvieron mejoras sobre el perfil lipídico, más allá de los cambios conseguidos con el protocolo de dieta y recomendaciones generales de actividad física habitual en clínica, en adultos con sobrepeso. Background. Over the past two decades, a striking increase in the number of people with the MetS worldwide has taken place. Many studies compare prevalences using different criteria and metabolic risk estimation formulas, and perhaps their main achievement is to reinforce the need for a standardized international definition. Although these discrepancies, there is no doubt it is a public health problem. There is urgent need for strategies to prevent and manage the emerging global epidemic, special consideration should be given to behavioral and lifestyle, mainly diet and exercise. However, there is still controversy about the most effective type of exercise and diet combination to achieve improvements. Objectives. To study the metabolic risk scores used in the literature and the diet and exercise therapies for the treatment of the MetS factors in overweight adults. Research design. The data used in the analysis was collected firstly in a pilot study and lately, as a part of the “Programas de Nutrición y Actividad física para el tratamiento de la obesidad” study (PRONAF). The PRONAF Study is a clinical research project in nutrition and physical activity programs for overweight and obesity, carried out in Spain (2008-2011). Was designed, in part, to attempt to match the volume and intensity of endurance, strength and combined training protocols in order to evaluate their impact on risk factors and MetS prevalence in overweight and obese people. The design and protocol included three exercise modes (endurance, strength and combined training) and diet restriction, in a randomized controlled trial concerning diverse health status variables. The main variables under investigation were habitual physical activity, markers of body fat, fasting serum levels of insulin, glucose, triglycerides, total, LDL and HDL cholesterol, blood pressure and diet and exercise parameters. Main outcomes. A) The metabolic risk scores studied presented contradictory results in relation to the metabolic risk of an individual, depending on the mathematical method used and the variables included, both in healthy women and overweight adults. B) The protocol proposed for combination of strength and endurance training combined with a balance diet was the optimal strategy for the improvement of MetS risk in overweight adults. C) The intervention program of endurance, strength or combined supervised training protocol with diet restriction did not achieved further improvements in lipid profile than a habitual clinical practice protocol including dietary advice and standard physical activity recommendations, in overweight adults.

Influence of the Main Cereal and Feed Form of the Diet on Performance and Digestive Tract Traits of Brown-Egg Laying Pullets.

The influence of the main cereal and feed form of the diet on performance and digestive tract traits was studied in 576 brown-egg laying pullets from 1 to 120 d of age. From 1 to 45 d of age, 4 diets arranged factorially with 2 cereals (corn vs. wheat) and 2 feed forms (mash vs. pellets) were used. Each treatment was replicated 6 times (24 pullets per replicate). From 46 to 120 d of age, all diets were offered in mash form and the only difference among diets was the cereal used. Cumulatively, pullets fed the corn diets had higher BW gain (P < 0.05) but similar feed conversion ratio as pullets fed the wheat diets. From 1 to 45 d of age, pullets fed pellets consumed more feed (P < 0.001) and had higher BW gain (P < 0.001) than those fed mash. Most of the beneficial effects of pelleting on productive performance were still evident at 120 d of age. At 45 d of age, gizzard weight (g/kg of BW) was higher (P < 0.01) in pullets fed corn than in pullets fed wheat diets. Feeding pellets reduced the relative weight of the digestive tract and the gizzard (P < 0.001) as well as the length (cm/kg of BW) of the small intestine (P < 0.01) at both ages. The pH of gizzard contents at 120 d of age was not affected by cereal but was lower in pullets that were fed mash from 1 to 45 d of age (P < 0.01). We conclude that wheat can be used in substitution of corn in pullet diets with only a slight reduction in BW gain and that feeding pellets from 1 to 45 d of age increased BW gain and pH of the gizzard and reduced the relative weight of the gizzard and the length of the gastrointestinal tract at 120 d of age.

Influence of energy concentration and feed form of the diet on growth performance and digestive traits of brown egg-laying pullets from 1 to 120 days of age

Full paper reserch

StreamCloud: An elastic and scalable data streaming system

Many applications in several domains such as telecommunications, network security, large scale sensor networks, require online processing of continuous data lows. They produce very high loads that requires aggregating the processing capacity of many nodes. Current Stream Processing Engines do not scale with the input load due to single-node bottlenecks. Additionally, they are based on static con?gurations that lead to either under or over-provisioning. In this paper, we present StreamCloud, a scalable and elastic stream processing engine for processing large data stream volumes. StreamCloud uses a novel parallelization technique that splits queries into subqueries that are allocated to independent sets of nodes in a way that minimizes the distribution overhead. Its elastic protocols exhibit low intrusiveness, enabling effective adjustment of resources to the incoming load. Elasticity is combined with dynamic load balancing to minimize the computational resources used. The paper presents the system design, implementation and a thorough evaluation of the scalability and elasticity of the fully implemented system.

Sequences of bifurcations and transition to chaos in an optical processing element

Digital chaotic behaviour in an Optical-Processing Element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed trains of bits. Period doublings in a Feigenbaum-like scenario have been obtained. A new method to characterize digital chaos is reported

Influence of the main cereal and feed form of the rearing phase diets on performance, digestive tract, and body traits of brown-egg laying pullets from hatch to 17 weeks of age

We hypothesize that pullets could respond similarly, independent of feed form, to the feeding of diets based on corn or wheat supplemented with adequate NSP enzymes. Also, pullets would quickly adapt their gastrointestinal tract and modify productive performance accordingly, when switched from crumbles to mash feeds. The aim of this research was to evaluate the effects of feeding crumbles for different periods of time, followed by feeding mash to 17 wk of age, on performance, gastrointestinal tract development, and body measurements of brown-egg laying pullets fed diets based on corn or wheat.

Factores nutricionales que influyen sobre las variables productivas y el desarrollo del tracto gastrointestinal en pollitas comerciales rubias = Nutritional factors affecting productive performance and gastrointestinal tract traits in commercial brown-egg laying pullets

El objetivo general de esta Tesis doctoral fue estudiar la influencia de diversos factores nutricionales sobre los parámetros productivos y el desarrollo del tracto digestivo de pollitas rubias destinadas a la producción de huevos comerciales. Para alcanzar este objetivo se realizaron tres experimentos donde se estudió el cereal principal, el tamaño de partícula del cereal y el nivel de energía y la presentación de los piensos. En el experimento 1 se estudió la influencia del cereal (piensos con enzimas) y la presentación del pienso sobre los parámetros productivos y las características del tracto digestivo en 576 pollitas rubias de 1 a 120 d de edad. De 1 a 45 d de la edad, se utilizaron 4 piensos experimentales organizados de forma factorial con 2 cereales al 50% de inclusión (maíz vs. trigo) y 2 presentaciones del pienso (harina vs. gránulo de 2- mm de diámetro). Cada tratamiento se replicó 6 veces (24 pollitas por réplica). De 46 a 120 d de edad todas las dietas (maíz o trigo) se ofrecieron en harina y por tanto, la única diferencia entre tratamientos fue el cereal utilizado. De 1 a 120 d de edad, las pollitas que recibieron los piensos basados en maíz tuvieron una ganancia de peso vivo (PV) superior (P < 0,05) que las que recibieron los piensos basados en trigo, pero el índice de conversión (IC) fue similar para ambos grupos. De 1 a 45 d de edad, las pollitas alimentadas con gránulo consumieron más pienso (P < 0,001) y tuvieron una ganancia de peso superior (P < 0,001) que las pollitas alimentadas con harina. Gran parte de los efectos beneficiosos de la granulación sobre los parámetros productivos se mantuvieron al final de la prueba (120 d de edad). A los 45 d de edad, el peso relativo de la molleja (PR; g/kg PV) fue superior (P < 0,01) en pollitas alimentadas con maíz que en pollitas alimentadas con trigo. La alimentación en gránulo redujo el PR del tracto gastro intestinal (TGI) y de la molleja (P < 0,001), así como la longitud relativa (LR; cm/kg PV) del intestino delgado (P< 0.01) a ambas edades (45 y 120 d de edad). El tipo de cereal utilizado no afectó al pH del contenido de la molleja a 120 d de edad pero fué inferior (P < 0,01) en las pollitas que recibieron el pienso en harina de 1 a 45 d de la edad que en las que recibieron el pienso en gránulo. Se concluye que el trigo puede substituir al maíz en piensos para pollitas si se acepta una ligera reducción en la ganancia de peso. Asímismo, la alimentación en gránulo de 1 a 45 d de edad aumentó la ganancia de peso a esta edad y al final de la prueba, así como el pH de la molleja a 120 d de edad. La presentación del pienso en gránulo redujo el PR de la molleja y la LR del TGI a 120 d de edad. En el experimento 2 se utilizaron un total de 864 pollitas rubias Hy-Line de 1 d de edad para estudiar la influencia del cereal de la dieta (500 g de maíz o trigo/kg) y el tamaño de partícula del mismo (molienda con molino de martillos con un diámetro de criba de 6, 8, o 10-mm) sobre los parámetros productivos y las características del TGI de 1 a 120 d de edad. Cada uno de los 6 tratamientos se replicó 6 veces (24 pollitas por réplica). De 1 a 45 d de edad, la ganancia de PV aumentó (P< 0,001) y el IC se mejoró (P < 0,05) al reducir el tamaño de partícula del cereal, pero no se observaron diferencias en el periodo crecimiento de 45 a 120 d de edad. A los 45 d de vida, las pollitas alimentadas con maíz tendieron (P < 0,10) a tener un mayor PR del TGI y del proventrículo y una mayor LR del intestino delgado que las pollitas alimentadas con trigo. Asímismo, el PR del TGI a esta edad, aumentó (P < 0,05) a medida que aumentaba el tamaño de partícula del cereal utilizado. A los 120 d de edad, el tratamiento no afectó el PR de ninguno de los órganos del TGI ni al pH de la molleja. Sin embargo, la LR del intestino delgado fue superior (P < 0,05) para las pollitas alimentadas con trigo que para las pollitas alimentadas con maíz. La LR del TGI se redujó (P < 0,05) al aumentar el tamaño de partícula del cereal. Se concluye que el trigo puede incluirse 500 g/kg en piensos de pollitas de 1 a 120 días de edad y que el tamaño de partícula de los cereales afecta el crecimiento de las pollitas durante los primeros 45 d de vida, pero no después. Por lo tanto, se recomienda moler el cereal utilizado al inicio del período de recría (1 a 45 d de edad) con una criba de diámetro igual o inferior a 8 mm. En el experimento 3 se utilizaron un total de 1.152 pollitas rubias Hy-Line de 1 d de edad para estudiar la influencia del nivel de energía de la dieta y la presentación del pienso sobre la productividad y las características del TGI. De 1 a 45 d de edad se utilizaron 6 piensos organizados de forma factorial con 3 concentraciones energéticas (baja: 11,44 MJ; media: 12,05 MJ y alta: 12,66 MJ/kg) y 2 presentaciones del pienso (harina vs. gránulo). De 45 a 120 d todos los piensos experimentales se suministraron en forma de harina y por tanto, la única diferencia entre tratamientos fue el nivel de EMAn utilizado. Cada uno de los 6 tratamientos se replicó 8 veces y la unidad experimental fue la jaula con 24 pollitas. De 1 a 120 d de edad, la ganancia de PV y el IC mejoraron a medida que aumentó la EMAn del pienso (P < 0,001). Las pollitas alimentadas con gránulo de 1 a 45 d de edad comieron mas y tuvieron una ganancia de peso superior (P < 0,001) que las alimentadas con harina. En el global de la prueba, la ganancia de PV fue mayor (P < 0,01) para las pollitas alimentadas con piensos en gránulo. A los 45 d de edad, el PR de todos los segmentos del TGI estudiados fue inferior para las pollitas alimentadas con piensos de alta energía que para las pollitas alimentadas con piensos de media o baja energía. A 120 d de edad, el PR de la molleja fue superior (P < 0,01) para las pollitas alimentadas con piensos de baja energía que con los otros piensos. Sin embargo, la LR del TGI no se vió afectada por el nivel de energía de los piensos. A los 45 d de edad, la alimentación con gránulo redujo el PR del proventrículo (P < 0,05), de la molleja (P < 0,001) y del TGI (P < 0.001), así como la LR del intestino delgado (P < 0,05) y de los ciegos (P < 0,001). A pesar de que las pollitas solo recibieron los piensos en gránulo durante los primeros 45 d de vida, la alimentación con gránulos redujo el PR de la molleja y del proventrículo a 120 d de edad. Se concluye que la alimentación con gránulos durante los primeros 45 d de vida mejora el consumo de pienso y el PV de las pollitas a 120 d de edad. Un aumento del nivel de energía de la dieta de 12,0 a 12,7 MJ/kg mejora los parámetros productivos de 1 a 120 d de edad pero reduce el tamaño del proventrículo y de la molleja. En base de estos resultados concluimos que maíz y trigo con enzimas pueden utilizarse indistintamente en piensos para pollitas de 1 a 120 d de edad con sólo una ligera disminución del PV final con trigo. La granulación y la reducción del tamaño de partícula del cereal del pienso de primera edad (1 a 45 d de vida) y el uso de piensos de alta densidad energética, mejoran los PV a 120 d de edad. Por lo tanto, es recomendable moler los cereales con cribas de no más de 8-mm de diámetro. También, la granulación del pienso y el uso de piensos de alta energía (pobres en fibra bruta) pueden reducir el desarrollo del TGI especialmente de la molleja, lo que puede perjudicar el consumo posterior de pienso durante el inicio del ciclo de puesta. ABSTRACT The general objective of this Thesis was to study the effect of different nutritional factors on productive performance and the development of the gastrointestinal tract (GIT) of commercial brown egg-laying pullets from 1 to 120 d of age. In this respect, the influence of type and particle size of the cereal, and feed form, and energy content of the die,t were studied in 3 experiments. In experiment 1, the influence of the main cereal and feed form of the diet on performance and GIT traits was studied in 576 brown-egg laying pullets from 1 to 120 d of age. From 1 to 45 d of age, 4 diets arranged factorially with 2 cereals (maize vs. wheat) and 2 feed forms (mash vs. pellets) were used. Each treatment was replicated 6 times (24 pullets per replicate). From 46 to 120 d of age, all diets were offered in mash form and therefore, the only difference among diets was the cereal used. Cumulatively, pullets fed the maize diets had higher body weight (BW) gain (P< 0.05) but similar feed conversion ratio (FCR) than pullets fed the wheat diets. From 1 to 45 d of age, pullets fed pellets consumed more feed (P < 0.001) and had higher BW gain (P < 0.001) than pullets fed mash. Most of the beneficial effects of pelleting on productive performance of the birds were still evident at 120 d of age. At 45 d of age, gizzard relative weight (RW; g/kg BW) was higher (P < 0.01) in pullets fed maize than in pullets fed wheat. Feeding pellets reduced the RW of the GIT and the gizzard (P < 0.001) as well as the relative length (RL; cm/kg BW) of the small intestine (SI, P < 0.01) at both ages. The pH of the gizzard contents at 120 d of age was not affected by the main cereal of the diet, but was lower in pullets fed mash from 1 to 45 d of age (P < 0.01) than in pullets fed pellets. We conclude that wheat supplemented with enzymes can be used in substitution of maize in pullet diets with only a slight reduction in BW gain at 120 d of age. Also, feeding pellets from 1 to 45 d of age increased BW gain and pH of the gizzard, and reduced the RW of the gizzard and the RL of the GIT at 120 d of age. In experiment 2, a total of 864 brown-egg laying pullets was used to study the effects of the main cereal of the diet (500 g maize or wheat/kg) and particle size of the cereal (hammer milled to pass through a 6, 8, and 10-mm screen) on growth performance and GIT traits from 1 to 120 d of age. Each of the 6 treatments was replicated 6 times (24 pullets per replicate). Type of cereal did not affect pullet performance at any age. From 1 to 45 d of age, BW gain was increased (P < 0.001) and FCR was improved (P < 0.05) as the particle size of the cereal was reduced, but no effects were observed after this age. At 45 d of age, pullets fed maize tended (P < 0.10) to have a heavier RW of the GIT and proventriculus and a higher relative length (RL, cm/kg BW) of the SI than pullets fed wheat. Also at this age, the RW of the GIT increased (P < 0.05) with increases in particle size of the cereal. At 120 d of age, dietary treatment did not affect the RW of any of the organs studied or gizzard pH, but the RL of the SI was higher (P < 0.05) for pullets fed wheat than for pullets fed maize. Also, the RL of the SI was reduced (P < 0.05) as the particle size of the cereal increased. We conclude that 500 g wheat/kg can be included in pullet feeds from 1 to 120 d of age, and that particle size of the cereal affects pullet performance during the first 45 d of life but not thereafter. Therefore, it is recommended to grind the cereal used in this period with a screen size of no more than 8-mm. In experiment 3, a total of 1,152 one-day-old Hy-Line Brown egg laying pullets were used to study the influence of the energy content of the diet and feed form on productive performance and on several GIT traits. From 1 to 45 d of age, there were 6 diets arranged factorially with 3 concentrations of AMEn (low: 11.66 MJ/kg, medium: 12.05 MJ/kg and high: 12.66 MJ/kg) of the diet and 2 feed forms (mash vs. pellets). From 45 to 120 d all diets were fed in mash form and therefore, the only difference among treatments in this period was the energy content of the diets. Each of the 6 treatments was replicated 8 times and the experimental unit was formed by 24 pullets. Cumulatively, BW gain and FCR improved as the AMEn of the diet increased (P < 0.001). Also, pullets fed pellets from 1 to 45 d of age had higher feed intake and BW gain (P < 0.001) in this period and higher cumulative BW gain (P < 0.01) than pullets fed mash. At 45 d of age, the RWof all the segments of the GIT was lower for pullets fed the high- than for pullets fed the medium- or low- energy diets. At 120 d of age, the RW of the gizzard was higher (P < 0.01) for pullets fed the low energy diets than for pullets fed the other diets. However, the RL of the GIT was not affected by the energy content of the diet. Feeding pellets reduced the RW of the proventriculus (P < 0.05), gizzard (P < 0.001), and GIT (P < 0.001), as well as the RL of the small intestine (P < 0.05) and the ceaca (P < 0.001) at 45 d of age. The effects of feeding pellets on RW of gizzard and proventriculus were still evident at 120 d of age. We concluded that feeding pellets from 1 to 45 d of age improved feed intake and BW of pullets at 120 d of age and that an increase in the energy content of the diet increased pullet performance at all ages but reduced the RW of the proventriculus and gizzard. We conclude that maize and wheat can be used indistinctly in diets for egg laying pullets from 1 to 120 d of age, with only a slight reduction in final BW when wheat is used. Also, particle size of the cereal affects pullet performance during the first 45 d of life but not thereafter. Pelleting of the feeds, and grinding the cereal with a screen size of no more than 8-mm from 1 to 45 d of age, and the use of high density energy diets are recommended in order to achieve adequate target BW at 120 d of age. However, pelleting of the feed, very fine grinding, and the use of high AMEn diets might hinder the development of the GIT, especially that of the gizzard, which might affect feed intake of laying hens especially at the beginning of the production cycle.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

User Experience in Human-Technology Interaction. Communication, context and evaluation methodology

En esta Tesis se presentan dos líneas de investigación relacionadas y que contribuyen a las áreas de Interacción Hombre-Tecnología (o Máquina; siglas en inglés: HTI o HMI), lingüística computacional y evaluación de la experiencia del usuario. Las dos líneas en cuestión son el diseño y la evaluación centrada en el usuario de sistemas de Interacción Hombre-Máquina avanzados. En la primera parte de la Tesis (Capítulos 2 a 4) se abordan cuestiones fundamentales del diseño de sistemas HMI avanzados. El Capítulo 2 presenta una panorámica del estado del arte de la investigación en el ámbito de los sistemas conversacionales multimodales, con la que se enmarca el trabajo de investigación presentado en el resto de la Tesis. Los Capítulos 3 y 4 se centran en dos grandes aspectos del diseño de sistemas HMI: un gestor del diálogo generalizado para tratar la Interacción Hombre-Máquina multimodal y sensible al contexto, y el uso de agentes animados personificados (ECAs) para mejorar la robustez del diálogo, respectivamente. El Capítulo 3, sobre gestión del diálogo, aborda el tratamiento de la heterogeneidad de la información proveniente de las modalidades comunicativas y de los sensores externos. En este capítulo se propone, en un nivel de abstracción alto, una arquitectura para la gestión del diálogo con influjos heterogéneos de información, apoyándose en el uso de State Chart XML. En el Capítulo 4 se presenta una contribución a la representación interna de intenciones comunicativas, y su traducción a secuencias de gestos a ejecutar por parte de un ECA, diseñados específicamente para mejorar la robustez en situaciones de diálogo críticas que pueden surgir, por ejemplo, cuando se producen errores de entendimiento en la comunicación entre el usuario humano y la máquina. Se propone, en estas páginas, una extensión del Functional Mark-up Language definido en el marco conceptual SAIBA. Esta extensión permite representar actos comunicativos que realizan intenciones del emisor (la máquina) que no se pretende sean captadas conscientemente por el receptor (el usuario humano), pero con las que se pretende influirle a éste e influir el curso del diálogo. Esto se consigue mediante un objeto llamado Base de Intenciones Comunicativas (en inglés, Communication Intention Base, o CIB). La representación en el CIB de intenciones “no claradas” además de las explícitas permite la construcción de actos comunicativos que realizan simultáneamente varias intenciones comunicativas. En el Capítulo 4 también se describe un sistema experimental para el control remoto (simulado) de un asistente domótico, con autenticación de locutor para dar acceso, y con un ECA en el interfaz de cada una de estas tareas. Se incluye una descripción de las secuencias de comportamiento verbal y no verbal de los ECAs, que fueron diseñados específicamente para determinadas situaciones con objeto de mejorar la robustez del diálogo. Los Capítulos 5 a 7 conforman la parte de la Tesis dedicada a la evaluación. El Capítulo 5 repasa antecedentes relevantes en la literatura de tecnologías de la información en general, y de sistemas de interacción hablada en particular. Los principales antecedentes en el ámbito de la evaluación de la interacción sobre los cuales se ha desarrollado el trabajo presentado en esta Tesis son el Technology Acceptance Model (TAM), la herramienta Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI), y la Recomendación P.851 de la ITU-T. En el Capítulo 6 se describen un marco y una metodología de evaluación aplicados a la experiencia del usuario con sistemas HMI multimodales. Se desarrolló con este propósito un novedoso marco de evaluación subjetiva de la calidad de la experiencia del usuario y su relación con la aceptación por parte del mismo de la tecnología HMI (el nombre dado en inglés a este marco es Subjective Quality Evaluation Framework). En este marco se articula una estructura de clases de factores subjetivos relacionados con la satisfacción y aceptación por parte del usuario de la tecnología HMI propuesta. Esta estructura, tal y como se propone en la presente tesis, tiene dos dimensiones ortogonales. Primero se identifican tres grandes clases de parámetros relacionados con la aceptación por parte del usuario: “agradabilidad ” (likeability: aquellos que tienen que ver con la experiencia de uso, sin entrar en valoraciones de utilidad), rechazo (los cuales sólo pueden tener una valencia negativa) y percepción de utilidad. En segundo lugar, este conjunto clases se reproduce para distintos “niveles, o focos, percepción del usuario”. Éstos incluyen, como mínimo, un nivel de valoración global del sistema, niveles correspondientes a las tareas a realizar y objetivos a alcanzar, y un nivel de interfaz (en los casos propuestos en esta tesis, el interfaz es un sistema de diálogo con o sin un ECA). En el Capítulo 7 se presenta una evaluación empírica del sistema descrito en el Capítulo 4. El estudio se apoya en los mencionados antecedentes en la literatura, ampliados con parámetros para el estudio específico de los agentes animados (los ECAs), la auto-evaluación de las emociones de los usuarios, así como determinados factores de rechazo (concretamente, la preocupación por la privacidad y la seguridad). También se evalúa el marco de evaluación subjetiva de la calidad propuesto en el capítulo anterior. Los análisis de factores efectuados revelan una estructura de parámetros muy cercana conceptualmente a la división de clases en utilidad-agradabilidad-rechazo propuesta en dicho marco, resultado que da cierta validez empírica al marco. Análisis basados en regresiones lineales revelan estructuras de dependencias e interrelación entre los parámetros subjetivos y objetivos considerados. El efecto central de mediación, descrito en el Technology Acceptance Model, de la utilidad percibida sobre la relación de dependencia entre la intención de uso y la facilidad de uso percibida, se confirma en el estudio presentado en la presente Tesis. Además, se ha encontrado que esta estructura de relaciones se fortalece, en el estudio concreto presentado en estas páginas, si las variables consideradas se generalizan para cubrir más ampliamente las categorías de agradabilidad y utilidad contempladas en el marco de evaluación subjetiva de calidad. Se ha observado, asimismo, que los factores de rechazo aparecen como un componente propio en los análisis de factores, y además se distinguen por su comportamiento: moderan la relación entre la intención de uso (que es el principal indicador de la aceptación del usuario) y su predictor más fuerte, la utilidad percibida. Se presentan también resultados de menor importancia referentes a los efectos de los ECAs sobre los interfaces de los sistemas de diálogo y sobre los parámetros de percepción y las valoraciones de los usuarios que juegan un papel en conformar su aceptación de la tecnología. A pesar de que se observa un rendimiento de la interacción dialogada ligeramente mejor con ECAs, las opiniones subjetivas son muy similares entre los dos grupos experimentales (uno interactuando con un sistema de diálogo con ECA, y el otro sin ECA). Entre las pequeñas diferencias encontradas entre los dos grupos destacan las siguientes: en el grupo experimental sin ECA (es decir, con interfaz sólo de voz) se observó un efecto más directo de los problemas de diálogo (por ejemplo, errores de reconocimiento) sobre la percepción de robustez, mientras que el grupo con ECA tuvo una respuesta emocional más positiva cuando se producían problemas. Los ECAs parecen generar inicialmente expectativas más elevadas en cuanto a las capacidades del sistema, y los usuarios de este grupo se declaran más seguros de sí mismos en su interacción. Por último, se observan algunos indicios de efectos sociales de los ECAs: la “amigabilidad ” percibida los ECAs estaba correlada con un incremento la preocupación por la seguridad. Asimismo, los usuarios del sistema con ECAs tendían más a culparse a sí mismos, en lugar de culpar al sistema, de los problemas de diálogo que pudieran surgir, mientras que se observó una ligera tendencia opuesta en el caso de los usuarios del sistema con interacción sólo de voz. ABSTRACT This Thesis presents two related lines of research work contributing to the general fields of Human-Technology (or Machine) Interaction (HTI, or HMI), computational linguistics, and user experience evaluation. These two lines are the design and user-focused evaluation of advanced Human-Machine (or Technology) Interaction systems. The first part of the Thesis (Chapters 2 to 4) is centred on advanced HMI system design. Chapter 2 provides a background overview of the state of research in multimodal conversational systems. This sets the stage for the research work presented in the rest of the Thesis. Chapers 3 and 4 focus on two major aspects of HMI design in detail: a generalised dialogue manager for context-aware multimodal HMI, and embodied conversational agents (ECAs, or animated agents) to improve dialogue robustness, respectively. Chapter 3, on dialogue management, deals with how to handle information heterogeneity, both from the communication modalities or from external sensors. A highly abstracted architectural contribution based on State Chart XML is proposed. Chapter 4 presents a contribution for the internal representation of communication intentions and their translation into gestural sequences for an ECA, especially designed to improve robustness in critical dialogue situations such as when miscommunication occurs. We propose an extension of the functionality of Functional Mark-up Language, as envisaged in much of the work in the SAIBA framework. Our extension allows the representation of communication acts that carry intentions that are not for the interlocutor to know of, but which are made to influence him or her as well as the flow of the dialogue itself. This is achieved through a design element we have called the Communication Intention Base. Such r pr s ntation of “non- clar ” int ntions allows th construction of communication acts that carry several communication intentions simultaneously. Also in Chapter 4, an experimental system is described which allows (simulated) remote control to a home automation assistant, with biometric (speaker) authentication to grant access, featuring embodied conversation agents for each of the tasks. The discussion includes a description of the behavioural sequences for the ECAs, which were designed for specific dialogue situations with particular attention given to the objective of improving dialogue robustness. Chapters 5 to 7 form the evaluation part of the Thesis. Chapter 5 reviews evaluation approaches in the literature for information technologies, as well as in particular for speech-based interaction systems, that are useful precedents to the contributions of the present Thesis. The main evaluation precedents on which the work in this Thesis has built are the Technology Acceptance Model (TAM), the Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI) tool, and ITU-T Recommendation P.851. Chapter 6 presents the author’s work in establishing an valuation framework and methodology applied to the users’ experience with multimodal HMI systems. A novel user-acceptance Subjective Quality Evaluation Framework was developed by the author specifically for this purpose. A class structure arises from two orthogonal sets of dimensions. First we identify three broad classes of parameters related with user acceptance: likeability factors (those that have to do with the experience of using the system), rejection factors (which can only have a negative valence) and perception of usefulness. Secondly, the class structure is further broken down into several “user perception levels”; at the very least: an overall system-assessment level, task and goal-related levels, and an interface level (e.g., a dialogue system with or without an ECA). An empirical evaluation of the system described in Chapter 4 is presented in Chapter 7. The study was based on the abovementioned precedents in the literature, expanded with categories covering the inclusion of an ECA, the users’ s lf-assessed emotions, and particular rejection factors (privacy and security concerns). The Subjective Quality Evaluation Framework proposed in the previous chapter was also scrutinised. Factor analyses revealed an item structure very much related conceptually to the usefulness-likeability-rejection class division introduced above, thus giving it some empirical weight. Regression-based analysis revealed structures of dependencies, paths of interrelations, between the subjective and objective parameters considered. The central mediation effect, in the Technology Acceptance Model, of perceived usefulness on the dependency relationship of intention-to-use with perceived ease of use was confirmed in this study. Furthermore, the pattern of relationships was stronger for variables covering more broadly the likeability and usefulness categories in the Subjective Quality Evaluation Framework. Rejection factors were found to have a distinct presence as components in factor analyses, as well as distinct behaviour: they were found to moderate the relationship between intention-to-use (the main measure of user acceptance) and its strongest predictor, perceived usefulness. Insights of secondary importance are also given regarding the effect of ECAs on the interface of spoken dialogue systems and the dimensions of user perception and judgement attitude that may have a role in determining user acceptance of the technology. Despite observing slightly better performance values in the case of the system with the ECA, subjective opinions regarding both systems were, overall, very similar. Minor differences between two experimental groups (one interacting with an ECA, the other only through speech) include a more direct effect of dialogue problems (e.g., non-understandings) on perceived dialogue robustness for the voice-only interface test group, and a more positive emotional response for the ECA test group. Our findings further suggest that the ECA generates higher initial expectations, and users seem slightly more confident in their interaction with the ECA than do those without it. Finally, mild evidence of social effects of ECAs was also found: the perceived friendliness of the ECA increased security concerns, and ECA users may tend to blame themselves rather than the system when dialogue problems are encountered, while the opposite may be true for voice-only users.

Identification and analysis of a nickel-inducible cation diffusion facilitator-NiCoT combined system in Rhizobium leguminosarum bv. viciae

Nickel, like other transition metals, can be toxic to cells even at moderate concentration (low microM range) by displacing essential metals from their native binding sites or by generating reactive oxygen species that cause oxidative DNA damage. For this reason, cells have evolved mechanisms to deal with excess nickel. Efflux systems include members of the Resistance-Nodulation-cell Division (RND) protein family, P-type ATPases, cation diffusion facilitators (CDF) and other resistance factors. Nickel-specific exporters have been characterized in Cupravidus metallidurans, Helicobacter pylori, Achromobacter xylosoxidans, Serratia marcenses and Escherichia coli.

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.

Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.