Hybrid integration of MEMS technology and rapid - prototyping techniques

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquimcos miniaturizados, con enfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquimicos. Para conseguir este objetivo, esta tesis esta centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrias para microelectrodos y mejor fabricacion y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturizacion de dispositivos electroquimicos esta en la reduccion de al superficie activa de los electrodos resultado en senales mas pequenas. Sin embargo, la introduccion de tecnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografia grabados seco y humedo, deposicion de metales o dielectricos por metodos fisicos o quimicos o procesos termicos rapidos se han convertido en una via real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturacion de dispositivos electroquimicos miniaturizados. Ademas el uso de herramientas computacionales basadas en metodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseno de estos dispositivos porque la quinetica del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricacion. El primer capitulo es una introduccion a los fundamentos de la electroquimica, al diseno, a la fabricacion y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera seccion se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquimica. La segunda seccion introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquimicos desarrollados en el capitulo 4. Finalmente la ultima seccion cubre los materiales y metodos utilizados, incluyendo la microfabricacion de los electrodos y las tecnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capitulo comienza con la teoria del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuacion, el modelo computacional de un unico dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricacion de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposicion de oro y tambien por la combinacion de grabado seco y metalizacion por deposicion de oro mediante sputtering. El capitulo cierra con la caracterizacion electroquimica de los dos arrays, lo que permitio comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capitulo tres se dirige a la sintesis y fabricacion de discos de electrodos de carbon para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbon estan basados en la pirolisis de fotoresina. Esta tecnica combina fotolitografia y procesos termicos rapidos. Ademas las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposicion quimica de dielectricos, tambien los electrodos fueron fisicamente y electroquimicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El ultimo capitulo se centra en encontrar una aplicacion a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicacion escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante tecnicas de prototipaje rapido, donde en cada caso una geometria diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento electrico de las pilas de combustible microbianas.