Search

Orientador: Prof. Dr. Michel Oliveira da Silva Dantas Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2017. As atividades realizadas através de movimentações do corpo são fundamentais para manter e promover a saúde humana, permitindo melhorar nossa qualidade de vida. Neste contexto, são cada vez mais desenvolvidos sistemas comerciais para monitorar movimentos humanos. Entretanto, os sistemas existentes, compostos normalmente por análise de imagens capturadas por câmeras de vídeo, plataformas de força, eletromiografia (EMG), etc, necessitam de ambientes especiais para serem aplicados, limitando o resultado e a fidelidade da análise dos movimentos. Desta forma, o objetivo desta pesquisa foi apresentar o estudo de um sistema de classificação de movimentos humanos utilizando sensores inerciais dos tipos acelerômetro e giroscópio de um Smartphone, sendo uma tecnologia atraente, de baixo custo e viável para substituir os métodos tradicionais aplicados neste tipo de análise. Utilizando os sensores inerciais de um Smartphone, e com o auxílio do aplicativo Matlab Mobile, foi possível enviar, através da comunicação Wi Fi, os sinais de aceleração e velocidade angular para uma central de processamento. Os sinais destes sensores foram janelados para extrair características distintas para cada movimento e foram utilizadas nos algoritmos classificadores baseados em inteligência artificial Arvores de Decisão e o KNN (K Nearest Neighbor). Três abordagens foram realizadas com o intuito de verificar a sensibilidade dos sensores inerciais quando submetidos a classificação individualmente e combinando os sinais de aceleração e velocidade angular. O sensor acelerômetro se mostrou com alta eficiência em conjunto com a técnica KNN, obtendo 92,8 % de acertos gerais. Utilizando apenas o giroscópio, novamente o classificador KNN se mostrou superior em comparação ao classificador Árvores de Decisão, com uma taxa de acertos gerais de 80,1 %. Por fim, combinando os sinais dos sensores, os dois classificadores apresentaram um alto desempenho, obtendo 90,7 % para o classificador KNN e 89,7 % utilizando o classificador Árvores de Decisão. Procurou-se analisar e comparar diferentes técnicas e sistemas de classificação de movimentos humanos que podem ser consideradas alternativas à opção realizada neste trabalho. Foram analisados, ainda, outros trabalhos relacionados à classificação de movimentos, buscando comparar as vantagens e desvantagens de cada método. Estas comparações mostram que os resultados obtidos neste trabalho são similares, provando que um único dispositivo permite uma classificação de movimentos humanos com alto desempenho e baixo custo. The activities carried out through body movements are important to maintain and to promote human health, increasing our life quality. In this context, commercial systems have been developed increasingly for human movement monitoring. However, the existing systems, which are usually composed by analysis of images captured by video cameras, power platforms, electromyography, etc., require special room to be applied, thus limiting the outcome and the fidelity of the motion in analysis. Based on the exposed, the objective of this research was to present the study of a human movement classification system using the accelerometer and gyroscope inertial sensors of a Smartphone. Such alternative aims to be an attractive, low cost and viable technology to replace the traditional methods applied in this type of analysis. By using the inertial sensors of a Galaxy S6 Smartphone coupled with Matlab Mobile application, it was possible to send the signals of acceleration and angular velocity to a processing center through Wi Fi communication. The signals from these sensors were windowed to extract features for each movement, and they were used in the algorithms based on Artificial Intelligence Decision Trees and KNN (K Nearest Neighbor). Three approaches were carried out with the purpose of verifying the sensitivity of the inertial sensors when subjected to individual classification and combining the signs of acceleration and angular velocity. The accelerometer sensor presented high efficiency when coupled with the KNN technique, obtaining 92.8 % of general hit rate. By using only the gyroscope, the KNN was superior in comparison to the Decision Trees, with a general hit rate of 80.1%. Finally, by combining the signals from booth sensors, the two classifiers presented a high performance: 90.7% for the KNN and 89.7% for the Decision Trees. We have analyzed and compared different techniques and systems of classification of human movements that are alternatives to that used in this work. Other works related to the classification of movements were also analyzed, aiming to compare the advantages and disadvantages of each method. These comparisons showed that the results obtained in this work are quite similar, which indicates that is possible to use a single device to obtain a classification of human movements with high performance and low cost.

A estimativa das taxas de coalescência em sistemas de fluxo multifásico é um factor chave para prever situações críticas , em que as fases começam a separar . Esta pode ser uma orientação para controlar a estabilidade da emulsão e para impedir a substituição desnecessária em processos em que são usados de óleo / água (O / A) dispersões . Estudos CFD apresentar alternativas atraentes para prever o aumento de tamanho de gota , devido a fenômenos de coalescência nos casos em que as emulsões fluem através de diferentes sistemas de circulação , e estão sujeitas a repentinas expansões e contrações . Neste estudo o comportamento de emulsões sob diferentes condições de fluxo foi investigada por acoplamento em equações de Navier Stokes com modelos de equilíbrio populacional e de gotículas de coalescência. Este estudo analisa os efeitos de coalescência em um sistema de O / A, quando as forças hidrodinâmicas promoverem eventos em que duas gotículas colidem para dar origem a novas gotículas. No estudo, o desempenho dos diferentes modelos de turbulência (K-, k-Q) é comparado a avaliar a sua influência sobre a interacção entre as fases. Diferentes algoritmos para acoplamento pressão-velocidade (PIMPLE, SIMPLEC, PIMPLEC) são avaliados também, uma vez que podem afetar os tempos computacionais e de convergência. O efeito das condições de fluxo e as propriedades de cada fase da distribuição de tamanho das gotículas é estudado para o fluxo de emulsões O / A numa tubagem com súbita alargamento. Os resultados permitem avaliar o efeito de coalescência e modelo de eficiência na média de gotículas de diâmetro Sauter. O desempenho de cada modelo em relação ao tempo computacional e a convergência é também discutida. The estimation of coalescence rates in multiphase flow systems is a key factor to predict critical situations, in which phases start to separate. This can be a guideline to control emulsion stability and to prevent unnecessary replacement in processes where oil/water (O/W) dispersions are used. CFD studies exhibit attractive alternatives to predict the increase of droplet size due to coalescence phenomena in cases where emulsions flow through different circulation systems, and are subject to sudden expansions and contractions. In this study the behavior of emulsions under different flow conditions was investigated by coupling Navier Stokes equations with population balance and droplet coalescence models. This study analyzes coalescence effects in an O/W system, when hydrodynamic forces promote events in which two droplets collide to give rise to new droplets. In the study, the performance of different turbulence models (k-, k-) is compared by evaluating their influence on the interaction between phases. Different algorithms for pressure-velocity coupling (PIMPLE, SIMPLEC, PIMPLEC) are also evaluated, since they can affect computational times and convergence. The effect of flow conditions and properties of each phase on droplet size distribution is studied for the flow of O/W emulsions in a pipeline with sudden enlargement. The results enable to evaluate the effect of coalescence model and efficiency on the mean Sauter diameter of droplets. The performance of each model with respect to computational time and convergence is also discussed.

Orientador: Prof. Dr. Michel Oliveira da Silva Dantas Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. Sensores de vacuo sao amplamente utilizados tanto no ambito industrial como no da pesquisa cientifica, pois possuem aplicacoes em diversas tecnicas de fabricacao e de analise, como a microscopia eletronica de varredura (MEV), a litografia por feixe de eletrons, e a espectrometria de massa, entre outras. Dentre os diversos tipos de sensores de vacuo destacam-se os baseados em efeito de campo (FE - Field Emission Device), que sao dispositivos que emitem eletrons em vacuo na presenca de um elevado campo eletrico. A literatura destaca diversas vantagens destes dispositivos: operacao em temperatura ambiente, reducao de consumo de potencia e tensao de operacao, obtencao de altas densidades de correntes em areas reduzidas, e rapido tempo de resposta. Existem diversas tecnicas de microfabricacao que podem ser utilizadas para obtencao de dispositivos FE, destacando-se a tecnica HI-PS (gHydrogen Implantation . Porous Siliconh), que proporciona baixa complexidade e custo. No entanto, para obtencao de FEs com sistema anodo-catodo integrado, a tecnica HI-PS apresenta algumas limitacoes, como o elevado numero de etapas de processo, a necessidade de elevada temperatura e tempo de oxidacao, e principalmente a isolacao eletrica deficiente entre as estruturas do anodo e do catodo, propiciando a existencia de correntes de fuga pelo gcorpoh do dispositivo. Frente a estes problemas, este trabalho apresenta estrategias estudadas para aprimorar a tecnica HI-PS de microfabricacao de dispositivos de emissao de campo integrados. Visando a reducao do numero de etapas de processo e a eliminacao de defeitos, inicialmente, foi estudada a utilizacao de fotorresiste como mascara a implantacao ionica de hidrogenio. Esta estrategia se mostrou viavel, resultando na formacao seletiva de silicio poroso e na obtencao de micropontas (catodos) com altura em torno de 10 ¿Êm e diametro dos apices em torno de dezenas de nanometro, dimensoes estas atestadas por MEV. Tambem foi pesquisada a utilizacao de fotorresiste como camada dieletrica, que se mostrou inviavel para a aplicacao proposta devido aos valores de correntes de fuga relativamente elevados. Para melhorar a isolacao eletrica entre as estruturas do anodo e do catodo, a estrategia pesquisada foi a utilizacao de oxido de silicio poroso (Ox-PS) como camada dieletrica entre as referidas estruturas. Para obtencao do Ox-PS, foram estudados diferentes parametros de oxidacao, como temperatura, tempo de processo, gradiente de temperatura de oxidacao (pre-oxidacao), e processo de recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas. Para as caracterizacoes morfologicas do Ox-PS, foram analisados, por meio de microscopia otica, parametros como espessura, estabilidade estrutural, taxa de corrosao e oxidacao total da camada PS, sendo este ultimo realizado atraves da tecnica Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Para a caracterizacao eletrica da corrente de fuga, foram confeccionados dispositivos MOS, caracterizados eletricamente por aparato constituido por um analisador de parametros semicondutores. O Ox-PS obtido com T = 1000 ¿C, t = 1 h, e com recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas apresentou significativa reducao da corrente de fuga (de 30 nA para 0,125 nA), comprovando, deste modo, sua potencialidade para a aplicacao proposta. Ja na fabricacao do FE integrado, o Ox-PS obtido nestas condicoes apresentou elevada instabilidade estrutural, gerando a necessidade de implementar processos de pre-oxidacao para obtencao da estrutura anodo-catodo integrada. Atraves dos parametros adequados, foi finalmente comprovada a viabilidade da otimizacao da tecnica HI-PS atraves das estrategias estudadas, possibilitando a fabricacao do dispositivo FE integrado contendo micropontas de alturas de aproximadamente 10 micrometros e apices da ordem de dezenas de nanometros circundadas pela estrutura do anodo com distancias de separacao de aproximadamente 20 micrometros. Com a otimizacao dos processos de fabricacao, almeja-se futuramente implementar o dispositivo FE integrado obtido por HI-PS no desenvolvimento de sensores compactos e de baixo custo e complexidade de fabricacao. Vacuum sensors are widely used in industry and in scientific research, because they can be applied in several fabrication and analysis techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), electron beam lithography and mass spectrometry, for example. Among the large number of vacuum sensors, we can highlight the Field Emission Devices (FE), which are devices that emit electrons in vacuum environment when submitted to a high electric field. The literature reports several advantages of these devices: operation at room temperature, low power consumption, high current densities in small areas, and fast response times. Several microfabrication techniques allow obtaining FE devices, including the HI-PS (Hydrogen Implantation ¿ Porous Silicon) technique, which is remarkable due to its low complexity and cost. However, HI-PS presents some limitations when applied to obtain FE with integrated anode-cathode system: high number of process steps, high temperature and oxidation times, and mainly the poor electrical insulation between anode-cathode structures, which results in leakage currents through the bulk of these devices. In this context, this work shows strategies to improve the HI-PS technique for microfabrication of integrated FE devices. First, we use photoresist as mask for hydrogen ion implantation aiming at defects elimination and reduction of process steps. This strategy resulted in the selective formation of porous silicon and in obtaining microtips (cathodes) with 10 ìm height and apex around tens of nanometers, as verified by Scanning Electron Microscopy (SEM). In addition, photoresist was tested as dielectric between anodecathode structures, but the high leakage current measured hindered the use of this material for the proposed application. The main strategy researched to improve the electrical insulation between anode-cathode structures was the use of oxidized porous silicon (Ox-PS) as dielectric. To obtain Ox-PS, we studied oxidation parameters such as temperature, time, pre-oxidation, and post-oxidation annealing. Optical Microscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were applied to analyze morphological aspects such as thickness, stability, etch rates and full oxidation of PS layers. A semiconductor parameter analyzer was used to characterize the leakage current from fabricated MOS devices. The Ox-PS obtained with T = 1000 °C, t = 1 h, and post-oxidation annealing in Forming Gas environment showed remarkable decrease of leakage current in comparison to the other oxidation conditions (from 30 nA to 0,125 nA), which demonstrates potentiality for the proposed application. Additionally, a pre-oxidation process was introduced to improve structural stability of Ox-PS layers. After this implementation, the optimization viability of HI-PS technique was finally proved, allowing obtaining an integrated FE device with microtips with 10 micrometers height and apex about tens of nanometers surrounded by the anode structure. The separation distance between anode-cathode structures was about 20 micrometers. With the optimization of fabrication process, we intend to implement hereafter the integrated FE device obtained by HI-PS technique in the development of compact sensors with low cost and low fabrication complexity.

Observa-se nos tempos atuais um crescente interesse e demanda por novas tecnologias de sensoriamento e interação. A monitoração, com o objetivo de reconhecimento de movimentos humanos, permite oferecer serviços personalizados em diferentes áreas, dentre elas a área de cuidados médicos. Essa monitoração pode ser realizada por meio de diferentes técnicas como o uso de câmeras de vídeo, instrumentação do ambiente onde o indivíduo habita, ou pelo uso de dispositivos pessoais acoplados ao corpo. Os dispositivos acoplados ao corpo apresentam vantagens como baixo custo, uso confortável, além de muitas vezes serem despercebidos pelo usuário, diminuindo a sensação de invasão de privacidade durante a monitoração. Além disso, o dispositivo sensor pode ser facilmente acoplado ao corpo pelo próprio usuário, tornando o seu uso efetivo. Deste modo, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema que emprega técnicas de inteligência computacional e um acelerômetro facilmente acoplado ao punho do usuário para efetuar, de maneira confortável e não invasiva, o reconhecimento de movimentos básicos da rotina de uma pessoa. Aplicando máquinas de vetores de suporte para classificar os sinais e a razão discriminante de Fisher para efetuar a seleção das características mais significativas, o sistema apresentou uma taxa de sucesso em torno de 93% no reconhecimento de movimentos básicos efetuados por indivíduos monitorados. O sistema apresenta potencialidade para ser integrado a um hardware embarcado de baixo custo, responsável pelo gerenciamento da aquisição dos dados e pelo encaminhamento das informações a um sistema de monitoramento ou armazenamento. As informações providas por este sistema podem ser destinadas à promoção da saúde e bem estar do indivíduo, bem como utilizadas em diagnósticos ou monitoramento remoto de pacientes em um ambiente de vida assistida. Nowadays it is observed a growing interest and demand for new sensing technologies and interaction. Monitoring with the objective of recognizing human movements, allows us to offer personalized services in different areas, among them healthcare. This monitoring can be performed through the use of different techniques such as the use of video cameras, living environment instrumentation, or the use of personal devices attached to the body, also known as wearable devices. These wearable devices have some advantages such as low cost, comfortable to use, and are often unnoticed by the user, reducing the feeling of privacy invasion during the monitoring. In addition, the sensing device can be easily attached to the body by the user itself, making its use effective. Thus, this work presents the development of a system that uses computational intelligence techniques and an accelerometer which is easily attached to the users wrist to perform, in a comfortable and non-invasive manner, the recognition of basic movements of a persons routine. By applying support vector machines to classify the signals and Fishers discriminant ratio to select the most significant features, the system has shown a success rate of 93% in the recognition of basic movements performed by monitored individuals. The system has the potential to be integrated into a low-cost embedded hardware, which is responsible for managing the data acquisition and routing the movement data to a remote monitoring system or storage. The information provided by the system can be designed to promote the health and wellness of the individual, as well used in diagnostics or remote patient monitoring in an ambient assisted living (AAL).

Esta tese de doutorado tem por objetivo aprofundar as pesquisas realizadas no mestrado, a saber, da caracterização e estudo das propriedades estruturais e ópticas de filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy:H) ricos em silício depositados pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma a baixa temperatura (PECVD). Os resultados obtidos no mestrado indicaram que os filmes de SiOxNy:H ricos em silício apresentam emissão luminescente na faixa do visível cuja intensidade e freqüência de emissão estão em correlação com o excesso de silício. Os resultados sugeriram que o excesso de silício na matriz do SiOxNy:H estava disposto na forma de aglomerados de silício de dimensões nanométricas responsáveis por efeitos de tamanho quântico bem como a estados radiativos na interface dos aglomerados com a matriz isolante. Neste trabalho a fim de avaliar o efeito da separação de fases, do tamanho quântico, e da interface, foram produzidos sistemas nanoestruturados a base de silício com total e parcial separação de fases para caracterizar e analisar suas propriedades ópticas e estruturais e compará-las com as dos filmes ricos em silício. Assim foram produzidas multicamadas de a-Si:H de poucos nanômetros de espessura com materiais dielétricos. Em algumas destas multicamadas foi promovida a mistura parcial das camadas por meio de bombardeamento iônico. O estudo nas estruturas de multicamadas permitiu caracterizar e analisar as propriedades estruturais e ópticas de materiais nanoestruturados com total e parcial separação de fases para posteriormente contrastá-los com as características dos filmes de oxinitreto de silício ricos em silício. A fim de analisar a influência da interface nas propriedades ópticas destes sistemas as multicamadas foram fabricadas com dois dielétricos diferentes: o óxido de silício e o ni treto de silício. A espessura das camadas dielétricas foi mantida fixa entanto que a das camadas de silício foi variada para avaliar efeitos de confinamento no silício. A caracterização foi feita utilizando técnicas de absorção óptica no UV-Vis, absorção no infravermelho (FTIR), espectroscopia Raman, fotoluminescência (PL), espectroscopia de absorção de raios X próximos 7 à borda do silício (XANES), e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM). Da análise dos resultados concluiu-se que o confinamento é fundamental para a existência da emissão luminescente embora o tipo de interface influencie a energia e a intensidade da emissão. A análise comparativa com as multicamadas permitiu verificar que os filmes de oxinitreto de silício ricos em silício apresentam, separação parcial de fases já como depositados, os tratamentos térmicos promovem a segregação do silício aumentando conseqüentemente a separação de fases. The aim of this doctorate thesis is to enhance the knowledge in the research conducted along the Master degree based on the characterization and study of the structural and luminescent properties of silicon rich silicon oxynitride films (SiOxNy:H) deposited at low temperature by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). The results of this study indicated that silicon rich SiOxNy:H films present luminescence in the visible spectra range with intensity and frequency in correlation with the silicon excess. The results suggested that the silicon excess in the SiOxNy:H matrix is confined in nanometric silicon clusters responsible for the to quantum size effects as well as for radiactive states at the interface of the silicon clusters with the insulating matrix. In the present work in order to evaluate the effect of phase separation, quantum size and interface effects si licon based nanostructured systems presenting total and partial phase separation were produced and their structural and optical properties were characterized in order to correlate them with the silicon rich films ones. In this way multilayers with few nanometers thick a-Si layers with dielectric materials were produced. The mixture of the layers was promoted by ion bombardment in some of these multilayers. The study of these structures permitted the characterization of structural and optical properties of materials with total and partial phase separation with the purpose of comparing them to the silicon-rich silicon oxynitride films characteristics. In order to analyze the interface influence in the optical properties, multilayers systems with two different dielectric materials, silicon oxide and silicon nitride, were fabricated. The dielectric layer thickness was kept constant while the silicon layer was varied in order to study the confinement effect. The characterization was done utilizing UV-Vis optical absorption, infrared absorption (FTIR), Raman spectroscopy, Photoluminescence (PL), X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) techniques. From the results analysis it was concluded that confinement is essent ial for the existence of luminescent 9 emission although the type of interface also influences the energy and intensity of the emission. The comparative analysis with the multilayers permitted to verify that the silicon-rich silicon oxynitride films present, as deposited, partial phase separation and that the thermal treatments promotes silicon aggregation thus increasing the phase separation.

Amostras com pequenos volumes e matrizes complexas, como sistemas biológicos, necessitam de preparação criteriosa. Muitas dessas amostras são melhor analizadas em estruturas miniaturizadas devido à necessidade de detectar células e microorganismos em diferentes matrizes. Por essa razão, equipamentos capazes de detectar e destruir microorganismos e estruturas para prévia retenção desses se faz necessários na vida moderna. Chicanas, constrições usadas para reduzir velocidade de fluxo, que podem ser utilizadas para reter compostos, são estruturas macroscópicas para remover resíduos de lagos, fazendas e etc. e chicanas miniaturizadas foram usadas para a adsorção de compostos orgânicos do ar e da água. Assim, esse trabalho tem dois diferentes objetivos: 1) Produção de um equipamento de baixo custo, para teste de partículas ou eliminação de microorganismos e 2) O desenvolvimento de estruturas miniaturizadas para retenção e/ou seleção de partículas e substâncias viscosas de um fluido líquido. A metodologia utilizada foi: 1) Dois software foram escolhidos para esse trabalho. O LabVIEW® 7.0 foi utilizado como plataforma para o desenvolvimento do software do equipamento e o FemLAB® 3.1 para a simulação de estruturas. O equipamento produzido usou Microbalança de Quartzo como detector e um sistema de admissão baseado em uma bomba e tubos. 2) O desenho da estrutura foi otimizado por simulação do comportamento do fluxo. A estrutura otimizada foi feita desmontável, e usinada em polimetilmetacrilato ? acrílico, com ferramentas convencionais. Acrílico foi usado devido à sua transparência óptica, que permite testes com microsocpia óptica. As simulações consideraram N2 e Água como fluidos gasoso e líquido, respectivamente. Avaliou-se o comportamento das partículas (50?m and 13?m) em fluxo gasoso e polidimetilsiloxano (silicone, com viscosidade de 350 cSt) e partículas em fluxo líquido. As estruturas foram caracterizadas quanto à adsorção e retenção de partículas usando equipamento desenvolvido e por microscopia óptica. As estruturas foram, também, continuamente fotografadas durante a execução do experimento e fotos foram utilizadas para determinar o comportamento do fluxo. Os reagentes foram injetados na estrutura em pequenos pulsos. O equipamento mostrou boa performance para detecção de adsorção em fluxo líquido e reprodutibilidade no monitoramento do aquecimento de estruturas. As chicanas mostraram boa capacidade de reter partículas grandes (50?m), mas não pequenas (13?m), tanto para fluxos gasosos como líquidos. Contudo, a estrutura tem pequena capacidade de carga para fluidos líquidos (? 1mg); além disso, a retenção de amostras de silicone na estrutura, utilizando fluido líquido, ocorreu devido à diferença de velocidade entre os fluidos. A simulação e os resultados experimentais apresentam boa correlação. Assim, a chicana mostrou a possibilidade de, seletivamente, separar partículas em fluxos gasosos e líquidos ou reter substâncias viscosas em fluxo líquido. Esses resultados apontam para diversas aplicações, como por exemplo, pré-tratamento para análises biológicas e retenção ou eliminação de microorganismos. Samples with small volume and complex matrix, such as biological systems, require careful preparation. Many of these samples are better analyzed in miniaturized structures owing to the need of detect cells and microorganisms in different arrays. Therefore equipment able to detect and destroy microorganisms and structures to previously retain them are require in the modern life. Chicanes, i.e. constrictions used to reduce flow velocity, can be useful to retain compounds, are macroscopic devices to remove waste removal from lakes, farms, etc. and miniaturized chicane was used to adsorption of organic compounds from air and water. Thus, this work has two different targets: 1) Production of a low-cost equipment useful for tests of particle or microorganisms elimination and 2) The development of miniaturized structures useful for retention and/or selection of particles and viscous substances from a liquid flow. The methodology used was: 1) Two software were chosen to this work. The LabVIEW® 7.0 was used for development of equipment software and FemLAB® 3.1 for structures simulation. The equipment production used Quartz Crystal Microbalance as detector and an admission system based on simple pumps and plumbing. 2) The design of the structure design was optimized using flow simulation. The optimized design was manufactured in poly(methyl methacrylate) -acrylic, with conventional tools. Acrylic was used due to the optical transparency that allows photographic tests and the structures can be easily disassembled. The simulations considered nitrogen and water for gaseous and liquid flow, respectively. It was evaluated the behavior of particles (50?m and 13?m) on gaseous flow and polydimethylsiloxane (silicone, viscosity of 350 cSt) and particles on liquid flow. The structures were characterized using equipment produced to measure adsorption and optical microscopy to evaluate particle retention. The structures were also continuously photographed during the experiments and the photos were analyzed to determine flow behavior. The reactants were inserted in the structure in small pulses. The equipment shows good performance for detection of adsorption in liquid flows and reproducibility on monitoring heated structures. Chicanes showed good ability to retain big particles (50 ?m) but not small ones (13 ?m) for both liquid and gaseous flow. However, the structure has small load capacity for liquids (? 1 mg). Moreover, the retention of silicone samples in the structure on liquid flow occurs due to the difference in the fluid velocity. The simulation and experimental results are in good agreement and also chicane structure shows the possibility of selectively separate particles from gaseous and liquid flow or retain viscous substances from a liquid flow. These results point out to several applications, such as sample pretreatment for biological analysis and microorganism retention or elimination.

Um novo processo de fabricação de dispositivos de emissão de campo (FE) em silício (Si) é apresentado nesta tese, baseado na potencialidade de utilização da técnica de microusinagem denominada HI-PS (Hydrogen Ion Porous Silicon), que trata da combinação entre processos de implantação de hidrogênio e silício poroso. Por meio do procedimento proposto, foram obtidos dispositivos com 2500 emissores (micropontas de Si) integrados e não integrados ao anodo e contidos em uma área de 2,8 x 2,8 mm² (3,2.10\'POT.4\' pontas/cm²). As micropontas de Si fabricadas apresentaram altura de 10 µm, com diâmetro do ápice em torno de 150 nm. A separação entre os emissores (50 µm), na configuração não integrada dos dispositivos, foi limitada pela resolução da máscara litográfica utilizada. Foram propostas etapas de otimização estrutural das micropontas após sua formação, e aplicadas tanto na configuração do sistema anodo-catodo integrado como não integrado. Como resultado destas etapas, constatou-se a redução do ápice das microestruturas para dimensões inferiores a 100 nm. Os dispositivos FE integrados foram obtidos com uma distância de separação entre o anodo e o catodo de aproximadamente 12 µm, distância definida pelas dimensões da máscara litográfica, porém não limitada pelo processo aplicado. Destacam-se, entre as vantagens da utilização da técnica HI-PS em relação às tecnologias usuais de manufatura dos dispositivos FE, a baixa complexidade do processo proposto e a utilização de apenas uma etapa litográfica para obtenção do sistema anodo-catodo integrado e auto alinhado. Para efetuar as caracterizações dos dispositivos, foram implementados uma câmara de vácuo específica, que permite alterar a distância entre as estruturas do anodo e do catodo não integradas, sem a necessidade de se retirar a amostra da câmara, e três sistemas para ensaios elétricos, sendo um destes sistemas desenvolvido especificamente para caracterização elétrica de dispositivos FE. As caracterizações elétricas foram efetuadas por meio de curvas I-V, I-t e V-d, sendo esta última utilizada para extrair o campo elétrico macroscópico E, que foi utilizado como parâmetro de comparação entre amostras submetidas a diferentes processos de otimização estrutural e de recobrimento superficial dos emissores por Al. Todas as amostras caracterizadas apresentaram variação de corrente exponencial com o potencial aplicado, de acordo com o esperado pela teoria proposta por Fowler-Nordheim (F-N). Dispositivos com otimização estrutural ou deposição de Al apresentaram melhores características de emissão (menor valor de E), de acordo com o aprimoramento do modelo de F-N sugerido na literatura para superfícies otimizadas. Constatou-se, pelos gráficos de F-N, o comportamento diferenciado dos emissores de Si tipo p em comparação com outros materiais, estabelecendo uma relação entre as variações da inclinação da curva traçada às distintas fontes de elétrons do Si. Frente aos resultados obtidos, conclui-se que a técnica Hi-PS é altamente promissora para fabricação de emissores microusinados em Si para aplicações em dispositivos FE. This thesis presents a new silicon (Si) field emission devices (FE) fabrication process based on the potential of the HI-PS (Hydrogen Ion Porous Silicon) micromachining technique, which is a combination of hydrogen implantation and porous silicon. Devices with 2500 emitters (Si microtips), integrated and non-integrated to the anode, enclosed in an area of 2.8 x 2.8 mm² (3.2 x 10\'POT.4\' tips/cm²), were obtained from the proposed technique. The fabricated Si microtips show 10 µm in height, with apex diameter of about 150 nm. The separation distance between emitters (50 µm), considering the non-integrated devices design, was limited by the resolution of the lithographic mask applied. Microtips structural improvement process steps were proposed and applied in both anode-cathode design (integrated and non-integrated). As a result, a reduction in tip apex diameter to dimensions lower than 100 nm was verified. The integrated FE devices were obtained with an anode-cathode separation of about 12 µm, which distance was defined by lithographic mask dimensions, but not limited by the process applied. The outstanding advantages of the HI-PS technique in comparison with usual technologies for FE devices fabrication are the low complexity of the process proposed and the use of a single lithographic step to obtain a selfaligned and integrated anode-cathode system. A dedicated vacuum chamber, which allows the changing of the separation distance between non-integrated anodecathode structures without the need of removing the sample out the chamber, and three systems for electrical test, being one of them developed specifically for FE devices electrical characterization, were implemented. The electrical characterizations were performed by means of I-V, I-t and V-d curves, being the last one used to extract the macroscopic electrical field E, which was applied as comparison parameter between samples obtained from distinct structural improvement process and samples with emitters surface coated with Al. All samples characterized showed exponential-like behavior of current with the potential applied, as expected from theory proposed by Fowler-Nordheim (F-N). Devices with structural improvement or Al coating showed better emission characteristics (lower E value), according with the modified F-N model suggested in the literature for optimized surfaces. From the F-N plots, the distinct behavior of p type Si emitters was verified in comparison with different materials, establishing a relationship between the slope variations of the curve obtained and the electrons source of the Si. Based on the results obtained, the HI-PS technique is very promising to fabricate Si micromachined emitters for use in FE devices.