Hybrid integration of MEMS technology and rapid - prototyping techniquesdesign, fabrication and characterization of electrochemical devices and miniaturized microbial fuel cells

Resumen

El objetivo de esta tesis es el de la mejora del rendimiento de dispositivos electroquímcos miniaturizados, con énfasis en pilas de combustible microbianas y sensores electroquímicos. Para conseguir este objetivo, está tesis está centrada en el desarrollo de nuevos materiales para electrodos, nuevas geometrías para microelectrodos y mejor fabricación y procesos de encapsulado. Un inconveniente muy importante en la miniaturización de dispositivos electroquímicos está en la reducción de al superficie activa de los electrodos resultado en señales más pequeñas. Sin embargo, la introducción de técnicas de micromecanizado de silicio como pueden ser fotolitografía grabados seco y húmedo, deposición de metales o dieléctricos por métodos físicos o químicos o procesos térmicos rápidos se han convertido en una vía real para solventar todos los problemas relacionados la manufacturación de dispositivos electroquímicos miniaturizados. Además el uso de herramientas computacionales basadas en métodos de elementos finitos ha ayudado extraordinariamente al diseño de estos dispositivos porque la quinética del electrodo y el transporte de masa pueden ser simulados y estudiados antes de su fabricación. El primer capítulo es una introducción a los fundamentos de la electroquímica, al diseño, a la fabricación y a las aplicaciones desarrolladas en esta tesis. La primera sección se centra en explicar los aspectos fundamentales de la electroquímica. La segunda sección introduce las pilas de combustible, porque estos son los dispositivos electroquímicos desarrollados en el capítulo 4. Finalmente la última sección cubre los materiales y métodos utilizados, incluyendo la microfabricación de los electrodos y las técnicas de prototipaje utilizadas para fabricar las pilas de combustible microbianas. El segundo capítulo comienza con la teoría del transporte de masa en micropilares totalmente conductores. A continuación, el modelo computacional de un único dominio de un micropilar es desarrollado utilizando COMSOL. La fabricación de electrodos con arrays de micropilares totalmente conductores fue conseguida por electrodeposición de oro y también por la combinación de grabado seco y metalización por deposición de oro mediante sputtering. El capítulo cierra con la caracterización electroquímica de los dos arrays, lo que permitió comparar su respuesta y averiguar que ruta era la mejor. El capítulo tres se dirige a la síntesis y fabricación de discos de electrodos de carbón para detectar mercurio en muestras acuosas. Estos electrodos de carbón están basados en la pirólisis de fotoresina. Esta técnica combina fotolitografía y procesos térmicos rápidos. Además las ventanas activas de esos electrodos fueron definidas por deposición química de dieléctricos, también los electrodos fueron físicamente y electroquímicamente caracterizados. Una vez estos electrodos fueron completamente estudiados se utilizaron para detectar mercurio en soluciones. El último capítulo se centra en encontrar una aplicación a los electrodos de arrays de micropilares totalmente conductores. La aplicación escogida fue una pila de combustible microbiana miniaturizada fabricada mediante técnicas de prototipaje rápido, donde en cada caso una geometría diferente con el objeto de averiguar si los arrays de micropilares ayudan a mejorar el rendimiento eléctrico de las pilas de combustible microbianas.