SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS PARA DETECCIÓN DE GASES. Sensores avanzados para múltiples aplicaciones

Los Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (Micro-electro-mechanical systems (MEMS) )y de tecnologías de película delgada permiten la integración de circuitos electrónicos y matrices de sensores multifuncionales fabricados en sustrato de silicio como detectores químicos, mecánicos y de parámetros físicos. También la integración ofrece la posibilidad de acortar el camino entre los sensores y las técnicas de reconocimiento. Es importante fijarse que los sensores biológicos tienen igualmente la facultad de funcionar como sensores múltiples por ejemplo el sentido del tacto agrupa sensaciones de temperatura, presión, viscosidad de líquidos, además de disponer de un mecanismo de retroalimentación y de memoria.

Los MEMS son sensores avanzados para detectar simultáneamente varios parámetros, temperatura, presión, radiación, gas y concentración de vapor, olor, aceleración, inercia, campos eléctricos y magnéticos y muchos más, proporcionan no solamente alta relación señal ruido en un gran rango dinámico sino que también presentan buena sensibilidad. En general, los sensores consisten en dos elementos: un detector y una plataforma que comunica con el detector a través de un interface activo con variables eléctricas, mecánicas, ópticas o impedancia química. La plataforma debe permitir generar la salida de señales eléctricas que transportan la información proporcionada por el detector.

El principal elemento utilizado en los MEMS es el silicio. La tecnología usada en la fabricación electrónica de las micromáquinas es cualquiera de las utilizadas en la fabricación de circuitos integrados, la fotoeléctrica, difusión ,oxidación , etc. La técnica como silicon-to-silicon y silicon-to-glass es la que se suele emplear permitiendo la realización de sensores de olor.

Sensor de superficie acustica SAW

los sensores mas comunes estan formados por dispositivos piezoelectronicos. la figura muestra la estructura basica de un sensor acustico electronico de gas. este tipo de sensores se utiliza para la realizacion de sensores multifuncionales fisico y quimicos; esta estructura se utiliza para sensores microscopicos de viscosidad, humedad, detectores de humo, sensores de gas, y sensores de campo magnetico-electrico normalmente el deposito de sustancias en la pelicula delgada se utilizan parala medida de estos parametros al producir cambios fisicos y quimicos que hacen variar la frecuencia de resonancia de la pelicula. los cambios en los sensores basados en el desplazamiento de frecuencia de resonancia, son producidos por causas mecanicas, quimicas u otras perturbaciones

Si el resonador se pone junto con una película delgada, las condiciones de funcionamiento varían. Una película dieléctrica modifica su funcionamiento bajo condiciones mecánicas, mientras una película conductora modifica ambos su funcionamiento eléctrico y mecánico. Las perturbaciones mecánicas y eléctricas causan desplazamientos de la frecuencia de resonancia. Si asumimos que la cantidad de corriente interna es aproximadamente y , donde F es el potencial eléctrico, y ho es la densidad de carga eléctrica, los cambios en el funcionamiento y desplazamiento de frecuencia de resonancia vienen dados por:



donde U es la energía acústica cargada en modo resonador, T es la tensión de esfuerzo, y * indica
un conjugado complejo. Las condiciones de la interface son:



Donde H es el campo magnético relativo a al campo eléctrico a través de la ecuación de Maxwell. El régimen de la oscilación del resonador piezoeléctrico puede ser modificado mecánica o eléctricamente. Las perturbaciones eléctricas pueden ocurrir en la película metálica con diferentes valores de conductividad en el resonador o si el resonador se introduce en un electrolito de conducción iónica. La influencia mecánica, química y eléctrica en sólidos y fluidos en la superficie del sensor depende de la interface entre el resonador de cuarzo y la resonancia. Algunos efectos en líquidos y sólidos hacen oscilar el resonador y modificar la resolución del sensor. La resolución del sensor se determina por la respuesta en el desplazamiento de la frecuencia de resonancia, a perturbaciones y la capacidad de monitorizar los cambios en desplazamiento de frecuencia. Cuando un resonador de cuarzo libre se pone en contacto con un sólido o fluido, parte de la energía acústica se trasmite fuera del resonador.

El acoplamiento acústico define el desplazamiento de la frecuencia de resonancia, y modifica el factor Q de calidad.

La siguiente figura muestra la superficie de una plataforma de onda acústica usando varios sensores de película delgada depositados en un resonador piezoeléctrico. En una mezcla de gases, cada película detecta un componente determinado.



La figura muestra otra superficie de onda acústica (SAW) configurada con silicio, en un sustrato no piezoeléctrico. El traductor interdigital esta construido por ZnO, un material piezoeléctrico. La línea SAW es parte de un circuito oscilador. Cuando la sensibilidad cambia los parámetros mecánicos también lo que se produce por la presencia de un gas cuya presión desplaza la frecuencia de resonancia y cambia la velocidad de propagación en el SAW. La línea de referencia del SAW, construida con película de cristal pasivo se usa para calibraciones.



Sensores Electroquímicos
Otra familia de sensores multifunción son los sensores de gas electroquímicos ver Figura , que se usan con celdas galvánicas en estado sólido para media de presiones parciales de gases como CO2, NOx, SOx, y gases de hidrocarburos. El sensor opera como una batería: la fuerza electromotriz cambia la función química modificando el cátodo en presencia de gas de acuerdo a la siguiente reacción:



Pt electrode, gas gas sensitive film ion conductor reference electrode Pt electrode


Por ejemplo, para medir la f.e.m. y la presión parcial del NO2 una celda galvánica, produce:


La reacción en la celda es:

La relación ente la f.e.m. y la presión parcial de NO2 viene dada por:

Donde G es la energía de Gibbs, P es la presión parcial, k es la constante de Boltzmann, y T la temperatura absoluta.

Las siguiente figura muestra un sensor de gas para medida parcial de presencia de CO2 fabricado usando tecnología de película delgada. El sensor opera a 350°C y toda su estructura se construye encima de una oblea de silicio con platina de película delgada.

utilizando varios sensores sobre un mismo sustrato de silicio con tecnología MEMS, sólo se necesita un electrodo diferente para cada una de las salidas del sensor.

Jorge L Polentino U

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