MICROSENSORES DE GAS
El olfato del ser humano y de algunos caninos entrenados se emplea hoy en la industria como herramienta para distinguir entre diversos olores desprendidos de alimentos, combustibles, cosméticos, productos químicos peligrosos y muchos otros. Este proceso de identificación es costoso y poco exacto, requiere tiempos de exposición muy breves (principalmente en el caso de gases peligrosos) debido a que las exposiciones prolongadas llegan a provocar una reducción en la sensibilidad olfativa y otros efectos secundarios dañinos, y una capacitación durante largos periodos. Otro método de detección es la cromatografía de gases, aunque este proceso no permite la detección en tiempo real ni valora los tipos de olores en su conjunto. Por lo tanto, es necesario cambiar los sistemas convencionales de detección de aromas por otros que proporcionen un mayor rango de detección en tiempo real, el incremento en su sensibilidad, un bajo costo, dimensiones pequeñas y una fácil implementación. Excelentes candidatos tecnológicos para estos fines son en consecuencia los MEMS. Esta tecnología permite la integración de sistemas o dispositivos que combinan componentes eléctricos, mecánicos, fluhídricos y ópticos, entre otros, los cuales son fabricados utilizando técnicas y procesos compatibles con la fabricación de circuitos integrados en una escala que va de décimas de micrómetros hasta cientos de micrómetros. Los MEMS se dividen en dos grupos: sensores y actuadores. Los sensores proveen la información de su medio ambiente a través de microcircuitos que la procesan; los actuadores respon- den a las señales de control de los microcircuitos y manipulan el sistema o el medio ambiente para un propósito deseado. En general, un MEMS puede estar compuesto por sensores y actuadores que forman sistemas inteligentes. La tecnología MEMS ofrece aplicaciones en múltiples á reas, entre las cuales se encuentran la transmisión y el engranaje. Como ejemplo, mencionemos un tren de engranes fabricado por el Laboratorio Nacional de Sandia en Albuquerque (Estados Unidos) , el cual cuenta con seis engranes que pueden alcanzar velocidades de hasta 250 revoluciones por minuto.
Sensores de gas
Un sensor de gas es un sensor químico que se basa fundamentalmente en la toma de una muestra de partículas que produce un cambio físico o químico de un material sensible, el que, mediante una circuitería de interfase, provoca una señal eléctrica que constituye la respuesta del sensor. En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de las fases de operación de este sensor químico.
Un sensor de gas es un sensor químico que se basa fundamentalmente en la toma de una muestra de partículas que produce un cambio físico o químico de un material sensible, el que, mediante una circuitería de interfase, provoca una señal eléctrica que constituye la respuesta del sensor. En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de las fases de operación de este sensor químico.
Figura 1. Diagrama esquemático que indica las fases de opeeración de un sensor químico.
Para que un sensor químico global detecte la presencia de diferentes partículas de gases, es necesario que utilice un arreglo de sensores individuales que respondan ante diferentes gases, analizando sus respuestas y clasificándolos según el tipo de olor.
Para que un sensor químico global detecte la presencia de diferentes partículas de gases, es necesario que utilice un arreglo de sensores individuales que respondan ante diferentes gases, analizando sus respuestas y clasificándolos según el tipo de olor.
En los últimos años, gracias al desarrollo de la tecnología MEMS, se ha favorecido la miniaturización de varios tipos de sensores; entre ellos se hallan los sensores de gas que se encuentran en una fase temprana de comercialización. La Tabla 1 presenta una clasificación evolutiva de diferentes clases de sensores MEMS, considerando la fecha de su invención inicial hasta su completa comercialización.
La investigación y desarrollo actual de sensores de gases se enfoca principalmente a la búsqueda de materiales sensibles con una alta selectividad bioquímica y la configuración apropiada de diferentes sensores asociados a un patrón de reconocimiento y análisis de multicomponentes. En la siguiente sección se escriben los diferentes y diminutos tipos de sensores de gas que pueden fabricarse al nivel de micras.
De gas de efecto de campo
Estos sensores se basan en el cambio del valor de la resistencia de un óxido metálico en presencia de un gas. El cambio es provocado por la concentración de cargas móviles en el proceso de absorción del gas que se mide. Pueden emplearse diversos óxidos metálicos.
En la Figura 3 se muestra la sección transversal de un sensor de gas MOSFET operando sobre una membrana de silicio aislante con una película que reacciona a altas temperaturas ante ciertos gases atmosféricos cambiando su conductividad eléctrica.
El inconveniente en esta clase de sensores es que tiene que trabajar a altas temperaturas (100 ºC a 600 ºC) para obtener un cambio apreciable en la resistencia de los materiales semiconductores.
Pellistores o sensores catalíticos
Estos sensores utilizan una bobina de hilo de platino recubierto de un óxido metálico con tratamiento catalítico. Ante la presencia de gases combustibles, el material catalítico tiene la propiedad de hacer arder a dichos gases a temperaturas menores a la de combustión.
El cambio de temperatura en el hilo de platino ocasiona un cambio en su resistencia eléctrica que produce una señal proporcional a la concentración del gas. Estos sensores pueden fabricarse con tecnología MEMS utilizando una membrana de nitruro de silicio como substrato, en el cual se deposita una capa de material catalítico, como se indica en la Figura 4.
Electroquímico
El sensor electroquímico consta de un electrodo metálico (o cátodo) que está en contacto con el gas que se desea detectar y un electrodo de referencia (ánodo), separados entre sí por una delgada capa de electrolito (Figura 5). Una vez que el gas se pone en contacto con el sensor superficial del electrodo, reacciona y ocasiona un mecanismo de oxidación-reducción. Esto genera una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración de gas.
El sensor electroquímico consta de un electrodo metálico (o cátodo) que está en contacto con el gas que se desea detectar y un electrodo de referencia (ánodo), separados entre sí por una delgada capa de electrolito (Figura 5). Una vez que el gas se pone en contacto con el sensor superficial del electrodo, reacciona y ocasiona un mecanismo de oxidación-reducción. Esto genera una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración de gas.
Microbalanzas de cuarzo
Este sensor consta en su estructura de un disco delgado de cristal de cuarzo colocado entre dos electrodos, a los cuales se les aplica un voltaje que genera una deformación en el cristal. Debido a que el cristal de cuarzo es piezoeléctrico, un campo eléctrico oscilante aplicado a través del material induce una onda acústica que se propaga a través del cristal.
Este sensor consta en su estructura de un disco delgado de cristal de cuarzo colocado entre dos electrodos, a los cuales se les aplica un voltaje que genera una deformación en el cristal. Debido a que el cristal de cuarzo es piezoeléctrico, un campo eléctrico oscilante aplicado a través del material induce una onda acústica que se propaga a través del cristal.
La onda encuentra un mínimo de impedancia cuando el grosor del cristal es un múltiplo de la mitad de la longitud de onda. En capas delgadas depositadas, la frecuencia de resonancia del cristal depende de la masa total de la estructura. Este depósito provoca una variación de la frecuencia de resonancia que es directamente proporcional a la cantidad de masa añadida, y así, mediante la variación de esta frecuencia, se determina la masa depositada en la superficie del cristal.
De ondas superficiales
Los sensores de ondas superficiales modifican la velocidad de propagación de las ondas acústicas en la superficie de un sustrato piezoeléctrico ocasionado por el depósito de una cantidad de masa en su superficie. Para producir estas ondas superficiales sobre el sustrato piezoeléctrico, es necesario colocar dos electrodos metálicos interdigitados en su superficie.
La velocidad y el amortiguamiento de las ondas acústicas son muy sensibles a los cambios en la superficie del transductor y, por ende, un depósito de masa en la superficie del sustrato piezoeléctrico provoca un cambio en la frecuencia de oscilación. Así, la frecuencia proporciona una medida de la concentración de masa con una alta sensibilidad.
De gas de tipo orgánico
Esta clase de sensores utiliza cristales orgánicos o polímeros como material sensible al gas. Los polímeros pueden ser conductores o no conductores. El principio de funcionamiento para los sensores que utilizan polímeros conductores es un cambio de resistividad o constante dieléctrica al absorber gas. Por otro lado, los polímeros no conductores reaccionan ante los cambios de masa cuando se encuentran bajo la presencia de un gas y pueden utilizarse como recubrimiento superficial de estructuras resonantes con el objetivo de absorber partículas de un gas en particular y aumentar la masa de las estructuras provocándoles una deflexión o cambios en su frecuencia de resonancia. Tales variaciones pueden medirse de modo piezorresistivo, óptico o capacitivo. En la Figura 8 se muestran los elementos de un sensor de gas orgánico con una viga resonante recubierta con un polímero orgánico, dos excitadores térmicos y un elemento detector piezorresistivo que traduce el cambio de masa de la estructura a señal eléctrica.
Un sensor de gas del tipo orgánico que utiliza polímeros no conductores como material de recubrimiento en estructuras resonantes tipo viga fue fabricado en el Cent ro Nacional de Microelectrónica (CNM) de Barcelona, España
NOMBRE: YENNY MEDINA
CI 19847659
MATERIA: CAF
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