Design, implementation, and experimental validation of microsystems for near-field communications and sensing at x-waves

(English) This thesis delves into the intricate process of designing and implementing micrometric scale systems for "x-waves" applications, a term used in this thesis to encompass microwaves, millimeter waves, optics, and terahertz waves. The initial results have been achieved with microsystems operating at microwave frequencies, integrated with microfluidics technologies for bioparticle near-field communication and sensing. In particular, microwave and microfluidic technologies has emerged as a promising approach for the detection and analysis of bioparticles. This interdisciplinary field, situated at the intersection of communication engineering, microscale physics,and biology, leverages the unique properties of microwaves and the precise control offered by microfluidics to explore the behavior and functionality of living cells. This thesis encompasses three interconnected studies that in conjunction explore the integration of microwave and microfluidic technologies for the detection, differentiation, and analysis of bioparticles. The first study focuses on the design and optimization of a high-sensitivity measurement system capable of detecting bioparticles over a frequency range of 0.01–10 GHz using various configurations of coplanar electrodes on a microfluidic platform. The proposed measurement setup addresses the detection gap at microwaves with real-time superheterodyne microwave detection system based on the optimization of a Lock-In-Amplifier (LIA) for single particle detection. The second study demonstrates the system’s capability to differentiate single live/dead bioparticles. It incorporates a Transimpedance Amplifier (TIA) in the measurement system to improve the signal-to-noise ratio (SNR) by 4 dB. In addition, the superheterodyne receiver was optimized in terms of local oscillator power and operation frequency. The microfluidic system has been adjusted to confine bioparticles at the centerline of the microchannel. The third study presents a system that measures the electromagnetic nonlinear susceptibility variation of living organisms. The technique is based in the measurement of the intermodulation products at microwaves frequencies produced by various samples, including pure ethanol, a mixture of ethanol and dimethyl-sulfoxide (DMSO), live Escherichia coli (E. coli), and heat-killed E. coli. Collectively, these studies highlight the potential of this integrated microwave-microfluidic platform in industrial processes, biomedical research, and environmental monitoring applications. The research opens up an unexplored avenue in the microwave field for understanding the behavior and functionality of living cells. (Català) Aquesta tesi aprofundeix en el procés intricat de disseny i implementació de sistemes d'escala micromètrica per a aplicacions "x-ones", un terme utilitzat en aquesta tesi per abastar microones, ones mil·limètriques, òptica i ones de terahertz. Els resultats inicials han estat S'aconsegueix amb microsistemes que operen a freqüències de microones, integrats amb tecnologies de microfluídica per a la comunicació i detecció de biopartícules en camp proper. En particular, les tecnologies de microones i microfluídiques han sorgit com un enfocament prometedor per a la detecció i anàlisi de biopartícules. Aquest camp interdisciplinari, situat a la intersecció de l'enginyeria de la comunicació, la física a microescala i la biologia, aprofita les propietats úniques de les microones i el control precís que ofereixen les microfluídiques Explorar el comportament i la funcionalitat de les cèl·lules vives. Aquesta tesi engloba tres estudis interconnectats que exploren conjuntament la integració de tecnologies de microones i microfluídiques per a la detecció, diferenciació i anàlisi de biopartícules. El primer estudi se centra en el disseny i optimització d'un sistema de mesura d'alta sensibilitat capaç de detectar biopartícules en un rang de freqüència de 0,01-10 GHz utilitzant diverses configuracions d'elèctrodes coplanars en una plataforma microfluídica. La configuració de mesurament proposada aborda la bretxa de detecció en microones amb un sistema de detecció de microones de superheterodí en temps real basat en l'optimització d'un Lock-In-Amplifier (LIA) per a la detecció de partícules individuals. El segon estudi demostra la capacitat del sistema per diferenciar biopartícules vives/mortes individuals. Incorpora un Amplificador de Transimpedància (TIA) en el sistema de mesura millorar la relació senyal-soroll (SNR) per 4 dB. A més, el receptor de superheterodí es va optimitzar en termes de potència i freqüència d'operació de l'oscil·lador local. El sistema microfluídic s'ha ajustat per confinar biopartícules a la línia central del microcanal. El tercer estudi presenta un sistema que mesura la variació de susceptibilitat electromagnètica no lineal d'organismes vius. La tècnica es basa en la mesura dels productes d'intermodulació a freqüències de microones produïdes per diverses mostres, incloent etanol pur, una barreja d'etanol i dimetil-sulfòxid (DMSO), viu Escherichia coli (E. coli), i E. coli, que ha estat matat per calor. Col·lectivament, aquests estudis destaquen el potencial d'aquesta plataforma integrada de microones-microfluídic en processos industrials, recerca biomèdica i aplicacions de monitoratge ambiental. La investigació obre una via inexplorada en el camp de les microones per entendre el comportament i la funcionalitat de les cèl·lules vives. (Español) Esta tesis profundiza en el intrincado proceso de diseño e implementación de sistemas de escala micrométrica para aplicaciones a "ondas x", un término utilizado en esta tesis para abarcar microondas, ondas milimétricas, ópticas y ondas terahertz. Los resultados iniciales se han logrado con microsistemas que funcionan a frecuencias de microondas, integrados con tecnologías de microfluidos para la comunicación y detección de biopartículas de campo cercano. En particular, las tecnologías de microondas y microfluidos han surgido como un enfoque prometedor para la detección y el análisis de biopartículas. Este campo interdisciplinario, situado en la intersección de la biología, la ingeniería de la comunicación, y la física de la microescala, aprovecha las propiedades únicas de microondas y el control exacto ofrecido por la tecnología microfluídica para explorar el comportamiento y la funcionalidad de células vivas. Esta tesis abarca tres estudios interconectados que en conjunto exploran la integración de tecnologías de microondas y microfluidos para la detección, diferenciación y análisis de biopartículas utilizando diferentes métodos presentados en cada estudio. El primer estudio se centra en el diseño y optimización de un sistema de medición de alta sensibilidad capaz de detectar biopartículas en un rango de frecuencia de 0,01-10 GHz utilizando varias configuraciones de electrodos coplanares en una plataforma microfluídica. La configuración de medición propuesta emplea un nuevo sistema de detección de microondas superheterodino en tiempo real basado en la optimización de un amplificador lock-in (LIA) para la detección de partículas individuales. El segundo estudio demuestra la capacidad del sistema para diferenciar biopartículas individuales vivas/muertas. Incorpora un amplificador de transimpedancia (TIA) en el sistema de medición para mejorar la relación señal ruido (SNR) en 4 dB. Además, el sistema de detección superheterodino se optimizó en términos de potencia del oscilador local y frecuencia de operación. El sistema microfluídico se ha ajustado para confinar biopartículas en la línea central del microcanal. El tercer estudio presenta un sistema que mide la susceptibilidad no lineal de los organismos vivos a los campos electromagnéticos. La técnica se basa en la medición de los productos de intermodulación producidos por varias muestras, incluyendo etanol puro, una mezcla de etanol y dimetilsulfóxido (DMSO), Escherichia coli (E. coli) viva y E. coli muerta por calor. En conjunto, estos estudios destacan el potencial de esta plataforma integrada microfluídica de microondas en procesos industriales, investigación biomédica y aplicaciones de monitoreo ambiental. La investigación abre una avenida inexplorada en el campo de las microondas para entender el comportamiento y la funcionalidad de células vivas.