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Microsensores de gas: detección de partículas

     
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Microsensores de gas: detección de partículas

Agustín Leobardo Herrera May, Jaime Martínez
Castillo, Pedro Javier García Ramírez y
Leandro García González

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.

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.

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
Este tipo de sensor es diseñado mediante los procesos tecnológicos MOS (M e t a l - O x i d e - Semiconductor), y se basa en el funcionamiento de un MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Comúnmente, en un MOSFET la compuerta se fabrica con polisilicio, que es un material cristalino sin una sola orientación cristalográfica preferencial; sin embargo, para crear un sensor de gas, el polisilicio es reemplazado por un metal, dependiendo la selectividad del metal utilizado. Por ejemplo, la compuerta fabricada con paladio tiene la capacidad de absorber hidrógeno. En cambio, si se utiliza platino, se pueden obtener respuestas con sensibilidades a diferentes gases, como el amoniaco o el ácido sulfúrico.

Producto

Invención

Evolución

Reducción de Costos

Comercialización

Sensores de Presión

1954-1960

1960-1975

1975-1990

1990

Acelerómetro

1974-1985

1985-1990

1990-1998

1998

Sensores bioquímicos

1980-1994

1994-2000

2000-2004

2004

Sensores de gas

1986-1994

1994-1998

1998-2005

2005

Tabla 1. Evolución temporal de los distintos tipos de sensores MEMS.


Figura 2. Esquema de la sección transversal de un detector de hidrógeno MOSFET con compuerta de paladio De gas tipo semiconductor

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.

Figura 3. Esquema de la sección transversal de un sensor de gas MOSFET operando sobre una membrana SOI con una película de SnO2 como elemento activo.

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.

Figura 4. Esquema de un pellistor con resistencias de platino en una membrana de oxinitruro de silicio.


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.

Figura 5. Plataforma de un sensor de gas electroquímico.


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.

Figura 6. Elementos de una microbalanza de cuarzo.

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.

Figura 7. Esquema de los elementos de un sensor de ondas de superficie con sustrato piezoeléctrico.


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.

Figura 8. Elementos de un sensor de gas tipo orgánico con estructura resonante que utiliza elementos excitadores térmicos y un p i e z o r r e s i s t i v o .


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.

Este dispositivo (Figura 9) detecta partículas de gas que se depositan sobre la superficie de las vigas utilizando la medición del cambio de sus frecuencias de resonancias. Los polímeros utilizados fueron el polieteruretano y el polidimetilsiloxano, los que fueron colocados sobre la super ficie de las membranas de silicio con dimensiones de 5 y 10 mm. Para excitar a las estructuras, se colocaron resistores actuadores en las vigas resonantes y se utilizó una detección piezorresistiva.

El sensor fabricado en CNM utiliza un encapsulado que permite aislar la estructura de factores externos no deseados (partículas contaminantes) que pueden llegar a influir en su desempeño eléctrico (Figura 10). La cápsula permitirá la conexión mediante tubos, en donde la muestra bajo análisis se transmitirá mediante un gas portador. En la Figura 11 se muestra la vista en tercera dimensión del empaquetado tipo cápsula del sensor.

En fin, los sensores de detección de gas fabricados en tecnología MEMS ofrecen ventajas considerables respecto a los medios tradicionales, tales como el olfato de perros entrenados.

Entre estas ventajas se hallan las siguientes: dimensiones pequeñas, bajo consumo de potencia, alta sensibilidad y fácil implementación en aplicaciones en tiempo real. De la diversidad de sensores de gas destaca el de tipo orgánico, que utiliza estructuras resonantes de silicio y un detector piezorresistivo debido a que explota las excelentes propiedades mecánicas del silicio, la facilidad de ser implementado en un chip y la disminución en su costo unitario por medio de su producción en masa.

Para el lector interesado
Gardner, J. (1994): Microsensors: Principles and Applications. Chichester: Wiley.

Lopez, M. (2003): Desarrollo de microestructuras de vidrio/silicio para la fabricación de sensores de gases con circuitería CMOS asociada. Tesis inédita de doctorado. Barcelona: Universidad Autónoma de Barcelona.

Mohamed, Gad-el-Hak (2001): The MEMS Handbook. Boca Raton: CRC Press.

Morata, M. (2004): Resonadores micromecanizados para su aplicación en la detección de gases. Tesis inédita de doctorado. Barcelona: Universidad Autónoma de Barcelona.

Rao, C., Raju, R. y Vijayamohanan, K. (1992). “Gas sensor materials”. Proceedings of New Materials, 1-37.

Varadan, V. (2000). Microsensors, microelectromechanical systems (MEMS), and electronics for smart structures and systems. Smart Material Structures, 9, 957-972.