Transreceptor de faixa larga baseado em impulso de rádio para sensor sem fios de curta distância implementado em tecnologia CMOS

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Preparation and characterization of microfiltration flat polymeric membranes for biomedical applications

Dissertation presented to Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa for obtaining the master degree in Membrane Engineering

Intrusion tolerant routing with data consensus in wireless sensor networks

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Project of a bandgap voltage reference and a temperature sensor for "energy harvest" systems

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Combining WLAN fingerprint-based localization with sensor data for indoor navigation using mobile devices

This project proposes an approach for supporting Indoor Navigation Systems using Pedestrian Dead Reckoning-based methods and by analyzing motion sensor data available in most modern smartphones. Processes suggested in this investigation are able to calculate the distance traveled by a user while he or she is walking. WLAN fingerprint- based navigation systems benefit from the processes followed in this research and results achieved to reduce its workload and improve its positioning estimations.

Writing/erasing 3D micro and nano wrinkles in flexible elastomers for volatile organic compounds sensor

Micro/nano wrinkled patterns on cross-linked urethane/urea polymeric flexible free standing films with two soft segments, polypropylene oxide and polybutadiene, can be induced by UV-irradiation. The ability to write/erase these 3D structures, in a controlled manner, is the main focus of this work. The imprinting of the wrinkled structures was accomplished by swelling in an appropriate solvent followed by drying the membranes after the cross-linking process and UV irradiation. The surface tailoring of the elastomeric membranes was imaged by optical microscopy, scanning electronic microscopy and by atomic force microscopy. To erase the wrinkled structures the elastomers were swollen. The swelling as well as the sol/gel fraction and the UV radiation were tuned in order to control the wrinkles characteristics. It was found that the wrinkles wavelength, in the order of microns (1±0,25μm), was stamped by the UV radiation intensity and exposure time while the wrinkles' amplitude, in the order of nanometers (150-450 nm), was highly dependent on the swelling and sol/gel fraction. A prototype for volatile organic compounds detection was developed taking advantage of the unique 3D micro/nano wrinkles features.

Desenvolvimento de um sensor colorimétrico em papel para a deteção de bactérias eletroquimicamente ativas

Bactérias eletroquimicamente ativas possuem a capacidade de transferir eletrões extracelularmente, durante a respiração celular. Esta característica tem sido atualmente explorada para aplicação na produção de eletricidade, tratamento de águas residuais, biorremediação e em diversas áreas da biotecnologia, onde a transferência eletrónica ocorre na presença de aceitadores insolúveis (tais como, óxidos metálicos e ânodos metálicos). Contudo, o número de espécies identificadas, isoladas e caracterizadas até à data é bastante reduzido. Os métodos atualmente disponíveis para deteção de bactérias eletroquimicamente ativas são morosos, dispendiosos e complexos de operar, tornando-se necessário o desenvolvimento de outros métodos mais rápidos, simples e menos dispendiosos que auxiliem na otimização das aplicações mencionadas. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor colorimétrico de papel utilizando um material eletrocrómico, trióxido de tungsténio, como camada ativa para a deteção destas bactérias. Para isso, foram definidos no papel poços delimitados por barreiras hidrofóbicas, através da impressão e difusão de uma camada de cera. As várias amostras de nanopartículas de WO3, sintetizadas por um método hidrotermal assistido por micro-ondas, foram depositadas nos poços por drop casting. As nanopartículas com estrutura cristalográfica hexagonal, impregnadas no sensor de papel, foram capazes de detetar com sucesso uma bactéria eletroquimicamente ativa, Geobacter sulfurreducens, desde uma fase de crescimento bastante inicial (Abs600 nm = 0,1, correspondente a 0,07 g/L com um rácio RGB de 1,10 ± 0,040) até à fase exponencial-tardia (Abs600 nm = 0,5, correspondente a 0,33 g/L com um rácio RGB de 1,33 ± 0,005), com P <0,0001. O sensor de papel e respetivo método de deteção colorimétrico desenvolvido neste trabalho, revelou ser sensível e específico à deteção destas bactérias, de uma forma rápida, simples e pouco dispendiosa.

Characterization of novel heme-containing sensor proteins from Geobacter sulfurreducens

The focus of this Thesis was the study of the sensor domains of two heme-containing methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP) from Geobacter sulfurreducens: GSU0582 and GSU0935. These domains contain one c-type heme, form swapped dimers with a PAS-like fold and are the first examples of a new class of heme sensors. NMR spectroscopy was used to assign the heme and polypeptide signals in both sensors, as a first step to probe conformational changes in the vicinity of the hemes. However, the presence of two conformations in solution impaired the confident assignment of the polypeptide signals. To understand how conformational changes and swapped dimerization mechanism can effectively modulate the function of the two sensor domains and their signal transduction process, the sensor domains folding and stability were studied by circular dichroism and UV-visible spectroscopy. The results showed differences in the thermodynamic stability of the sensors, with GSU0582 displaying higher structural stability. These studies also demonstrated that the heme moiety undergoes conformational changes matching those occurring at the global protein structure and that the content of intrinsically disordered segments within these proteins (25% for GSU0935; 13% for GSU0582) correlates with the stability differences observed. The thermodynamic and kinetic properties of the sensor domains were determined at different pH and ionic strength by visible spectroscopy and stopped-flow techniques. Despite the remarkably similar spectroscopic and structural features of the two sensor domains, the results showed that their properties are quite distinct. Sensor domain GSU0935 displayed more negative reduction potentials and smaller reduction rate constants, which were more affected by pH and ionic strength. The available structures were used to rationalize these differences. Overall, the results described in this Thesis indicate that the two G. sulfurreducens MCP sensor domains are designed to function in different working potential ranges, allowing this bacterium to trigger an adequate cellular response in distinct anoxic subsurface environments.

A piezoelectric based energy harvester interface for a CMOS wireless sensor IC

In this thesis a piezoelectric energy harvesting system, responsible for regulating the power output of a piezoelectric transducer subjected to ambient vibration, is designed to power an RF receiver with a 6 mW power consump-tion. The electrical characterisation of the chosen piezoelectric transducer is the starting point of the design, which subsequently presents a full-bridge cross-coupled rectifier that rectifies the AC output of the transducer and a low-dropout regulator responsible for delivering a constant voltage system output of 0.6 V, with low voltage ripple, which represents the receiver’s required sup-ply voltage. The circuit is designed using CMOS 130 nm UMC technology, and the system presents an inductorless architecture, with reduced area and cost. The electrical simulations run for the complete circuit lead to the conclusion that the proposed piezoelectric energy harvesting system is a plausible solution to power the RF receiver, provided that the chosen transducer is subjected to moderate levels of vibration.

Design of a low-voltage CMOS RF receiver for energy harvesting sensor node

In this thesis a CMOS low-power and low-voltage RF receiver front-end is presented. The main objective is to design this RF receiver so that it can be powered by a piezoelectric energy harvesting power source, included in a Wireless Sensor Node application. For this type of applications the major requirements are: the low-power and low-voltage operation, the reduced area and cost and the simplicity of the architecture. The system key blocks are the LNA and the mixer, which are studied and optimized with greater detail, achieving a good linearity, a wideband operation and a reduced introduction of noise. A wideband balun LNA with noise and distortion cancelling is designed to work at a 0.6 V supply voltage, in conjunction with a double-balanced passive mixer and subsequent TIA block. The passive mixer operates in current mode, allowing a minimal introduction of voltage noise and a good linearity. The receiver analog front-end has a total voltage conversion gain of 31.5 dB, a 0.1 - 4.3 GHz bandwidth, an IIP3 value of -1.35 dBm, and a noise figure lower than 9 dB. The total power consumption is 1.9 mW and the die area is 305x134.5 m2, using a standard 130 nm CMOS technology.

Relatório de atividade profissional e uma comparação do estudo da conservação de energia através de um sensor de movimento e de análise de vídeo

A apresentação do presente relatório visa a obtenção do Grau de Mestre em Ensino de Físico Química de acordo com o estabelecido no regulamento para Licenciados “Pré-Bolonha”, que abrange as licenciaturas de cinco anos com, pelo menos, cinco anos de experiência profissional. O percurso académico e profissional permitiram a aquisição de conhecimentos, tanto na Física como na Química, e um conjunto de aptidões como a capacidade organizacional, a capacidade de trabalhar em equipa e competências sociais. A constante vontade em atualizar conhecimentos e adquirir novas competências têm sido um incentivo para continuar a frequentar cursos de formação, seminários, workshops conferências dedicadas a esta área, assim como às do ensino. O presente trabalho é composto por duas partes. Na primeira parte, encontra-se a discrição da minha atividade profissional. Na segunda parte, encontra-se a apresentação detalhada do estudo da atividade laboratorial da bola saltitante por dois processos diferentes: utilizando um sensor de movimento e usando a análise de vídeo através do software Tracker.

Design, implementation, and performance of a distributed and scalable sensor system for critical distance measurements in the CMS detector at LHC

The “CMS Safety Closing Sensors System” (SCSS, or CSS for brevity) is a remote monitoring system design to control safety clearance and tight mechanical movements of parts of the CMS detector, especially during CMS assembly phases. We present the different systems that makes SCSS: its sensor technologies, the readout system, the data acquisition and control software. We also report on calibration and installation details, which determine the resolution and limits of the system. We present as well our experience from the operation of the system and the analysis of the data collected since 2008. Special emphasis is given to study positioning reproducibility during detector assembly and understanding how the magnetic fields influence the detector structure.

Desenvolvimento de um sensor de ibuprofeno em meio aquoso

A proteção dos recursos hídricos tem uma enorme importância ecológica, sendo a água um recurso indispensável à Vida e fundamental para o bem-estar de uma sociedade. Para isso, muitos dos poluentes que afetam a qualidade deste recurso natural são detetados e eliminados nas estações de tratamento de águas residuais. Porém, o impacto dos Produtos Farmacêuticos e de Cuidado Pessoal (PPCPs), usados à escala global, carece ainda da atenção necessária, dado que os meios técnicos atualmente disponíveis para detetar estes produtos são dispendiosos ou insuficientes. Dentro daquela classe de produtos, destaca-se o Ibuprofeno, uma vez que este composto, sendo lipossolúvel, tem a capacidade para se acumular nas gorduras dos seres vivos e, por conseguinte, persistir no meio-ambiente com efeitos nocivos. Para além desse facto, por diferentes vias de reação, o Ibuprofeno tem potencial para gerar produtos de carácter semelhante. No entanto, pouco esforços têm sido feitos no sentido de o detetar. Assim, pretendeu-se com este projeto desenvolver metodologias com vista à deteção de muito baixas concentrações (entre o nano e o picoMolar) daquele composto em meio aquoso. Foi utilizada a tecnologia de Língua Eletrónica por Espectroscopia de Impedância e, para tentar melhorar a sensibilidade do sensor à molécula-alvo, foram utilizados filmes finos à base de nanotubos de carbono e de diferentes polieletrólitos, preparados pela técnica de Camada-sobre-Camada (LbL, do inglês Layer-by-Layer). A caracterização destes filmes foi feita pela técnica Espectrofotometria na faixa dos Ultravioleta e Visível. Para além da análise de diferentes concentrações de Ibuprofeno, foram ainda analisadas soluções de Cloreto de Sódio, com o intuito de perceber se o sensor é versátil na deteção de outro tipo de compostos, sendo, então, o sal um composto barato e relevante neste âmbito, uma vez que a água na Natureza apresenta sempre alguma salinidade. O trabalho compreendeu ainda o desenvolvimento de um programa informático para automatizar o processo de aquisição dos dados espectrais de impedância, recolhidos pelo analisador HAMEG Programmable LCR Bridge HM8118, o que foi feito com sucesso. Posteriormente, os dados foram tratados pelo procedimento estatístico de Análise de Componentes Principais, que permitiu discriminar espacialmente e sequencialmente as diferentes concentrações dos compostos analisados.

Using an LED as a sensor and visible light communication device in a smart illumination system

The need for more efficient illumination systems has led to the proliferation of Solid-State Lighting (SSL) systems, which offer optimized power consumption. SSL systems are comprised of LED devices which are intrinsically fast devices and permit very fast light modulation. This, along with the congestion of the radio frequency spectrum has paved the path for the emergence of Visible Light Communication (VLC) systems. VLC uses free space to convey information by using light modulation. Notwithstanding, as VLC systems proliferate and cost competitiveness ensues, there are two important aspects to be considered. State-of-the-art VLC implementations use power demanding PAs, and thus it is important to investigate if regular, existent Switched-Mode Power Supply (SMPS) circuits can be adapted for VLC use. A 28 W buck regulator was implemented using a off-the-shelf LED Driver integrated circuit, using both series and parallel dimming techniques. Results show that optical clock frequencies up to 500 kHz are achievable without any major modification besides adequate component sizing. The use of an LED as a sensor was investigated, in a short-range, low-data-rate perspective. Results show successful communication in an LED-to-LED configuration, with enhanced range when using LED strings as sensors. Besides, LEDs present spectral selective sensitivity, which makes them good contenders for a multi-colour LED-to-LED system, such as in the use of RGB displays and lamps. Ultimately, the present work shows evidence that LEDs can be used as a dual-purpose device, enabling not only illumination, but also bi-directional data communication.