ARTICULOS CIENTIFICOS RELACIONADOS

TEORIA BASICA DE LOS SENSORES OCEANOGRAFICOS
(Articulo cientifico # 3)

Sistema

Un sistema puede ser considerado cualquier dispositivo o unidad hecho de un número de componentes construidos.

Los sensores detectan cambios en algún parámetro a ser controlado, mientras que la lógica de control electrónica opera microactuadores basados en la información de aquellos sensores, lo que permite controlar a ese parámetro dentro de los límites deseados.

Ejemplo de estos sistemas puede ser refrescar el medio en una pequeña celda de cultivo. Los sensores pueden detectar cambios en pH, pO2 o pCO2, y una microbomba podría controlar el medio de un cultivo requerido. No todos los dispositivos necesitan seguir ese patrón control-sistema. Por ejemplo, un acelerómetro diseñado para inflar una bolsa de aire durante un choque automovílistico, podría no sólo requerir un sensor micromaquinado de aceleración sino también de circuitería para condicionar la señal y detectar una rápida desaceleración, y microactuadores que apliquen una fuerza sobre el sensor para permitir que el dispositivo sea probado antes que el conductor se ponga en camino.

Los sistemas pueden ser construidos de componentes producidos por diferentes tecnologías en diferentes substratos, esto es, un sistema híbrido. Por ejemplo, un chip de silicio puede ser usado para desarrollar circuitería de control, mientras que el actuador puede ser construido en plástico o usando la técnica LIGA. Alternativamente, todos los componentes de un sistema pueden ser construidos sobre un mismo substrato usando sólo una tecnología (un sistema monolítico). La ventaja de un sistema híbrido es que la tecnología más apropiada para cada componente puede ser seleccionada para optimizar la operación del sistema. Esto reducirá el tiempo de desarrollo si las técnicas de microfabricación para cada componente ya existen, y así no habrá que hacer compromisos para asegurar que cada componente puede ser fabricada sin contaminar los componentes ya existentes sobre el substrato. Los dispositivos monolíticos típicamente son más compactos que los dispositivos híbridos, y más seguros. Además, una vez que los procesos de fabricación han sido desarrollados, los dispositivos pueden ser fabricados a menor costo.
Un problema importante para el diseñador de microsistemas es el ensamblaje de muchos componentes microscópicos. Las soluciones potenciales incluye sistemas de autoensamblaje y fabricas operadas por microrobots! En algún punto de operación, muchos microsistemas tienen que interactuar con sistemas macroscópicos. A menudo puede ser que sólo un componente en un sistema debe ser microconstruido, el cual tiene como soporte un sistema complejo producido por técnicas de ingeniería más convencionales. Generalmente es fácil sobreestimar los problemas que involucra montar y empaquetar microdispositivos, y su interacción con sistemas de soporte macroscópico.

Componentes de un sistema

Como se puede ver de la fig. 1, un sistema consiste de componentes de varias clases: microsensores para detectar cambios en el ambiente del sistema; un componente inteligente que toma decisiones basadas en los cambios detectados por el sensor; y microactuadores, a través de los cuales el sistema cambia su ambiente. Obviamente un sistema no necesita ser un lazo cerrado como se muestra en la fig. 1, aún si éste o algunos de sus elementos pueden ser implementados en tecnología macroscópica. Por ejemplo, un microsensor puede ser usado como componente (desechable) sólo para controlar grandes actuadores. Actualmente los componentes inteligentes de un sistema pueden ser implementados con componentes microlectrónicos, los cuales pertenecen a una tecnología bien establecida que no será discutida en este documento.

Sensores

Un transductor es un dispositivo que convierte de una cantidad física a otra. El cambio en el índice de refracción de algun cristal bajo un campo magnético aplicado es un ejemplo (efecto magneto- óptico). La deformación de un cristal piezoeléctrico por la aplicación de un campo eléctrico es otro ejemplo. Los sensores y actuadores son tipos especiales de transductores.

En este contexto, un sensor es un dispositivo que convierte una cantidad física o química a una cantidad eléctrica. Similarmente, un actuador es un dispositivo que convierte una cantidad eléctrica en una cantidad física o química.

Sensores Térmicos

Hay un número de diferentes tipos de sensores térmicos. Dos de los más comúnes son el termoacoplador y el termoresistor.

Termoacoplador

Cuando dos metales distintos (como el cobre y el hierro) son puestos en contacto en un circuito y las uniones son calentadas a diferentes temperaturas, un pequeño voltaje es generado y una corriente eléctrica fluye entre ellos.
Un termoacoplador se muestra en la fig. 2. Consiste de una unión sensora a una temperatura Ta, y una unión de referencia a una temperatura Tb. El voltaje generado por el dispositivo es medido con un voltímetro de alta resistencia.

El voltaje a circuito abierto (medido con un voltímetro ideal de resistencia de entrada infinita) está relacionado con la diferencia de temperatura (Ta-Tb), y con la diferencia en los coeficientes Seebeck de los dos materiales (Pa-Pb):
V = ( Pa - Pb )( Ta - Tb ) Eqn. (1) V será típicamente del orden de mV, o decenas de mV para termoacopladores de metal con diferencias de temperatura del orden de 200 deg C.

Los materiales semiconductores a menudo presentan un mejor efecto termoeléctrico que los metales. Esto permite integrar muchos termoacopladores semiconductores en serie para construir una termopila, la cual presenta un voltaje de salida mayor que el debido a un solo termoacoplador. Sin embargo, la alta conductividad térmica del silicio dificulta el mantener un gradiente de temperartura grande (Ta-Tb). Por consiguiente, una aplicación del micromaquinado de silicio es el aislar térmicamente el elemento sensor del substrato de silicio. Esto es posible si el dispositivo se construye sobre micropuentes o trampolínes maquinados en silicio.
Termoresistor.

La resistividad térmica de los metales varía con la temperatura. Arriba de -200 deg C la resistividad varía casi linealmente con la temperatura. En la región lineal, la variación de la resistividad r con la temperatura T puede ser descrita adecuadamente por una función cuadrática:

r=R(1+aT+bT2)
Eqn. (2)

donde R es la resistividad del material a una temperatura de referencia (0 deg C), con a y b constantes del material usado.

El platino es un material que presenta una variación lineal con la temperatura (b es muy pequeño). Usado como termoresistor, presenta pequeña resistencia y su variación con la temperatura (coeficiente de temperatura) no es particularmente importante, por eso requiere de un puente resistivo para detectar la señal.

Los termoresistores semiconductores (o termistores) pueden ser formados de óxidos metálicos o de silicio. Estos, generalmente, no son tan exactos o estables como los termistores de platino. Sin embargo, su costo de fabricación es bajo y son más fáciles de integrar con circuitos microelectrónicos sobre el mismo substrato.

El coeficiente de temperatura resistivo para un termistor es altamente no lineal y negativo, así como dependiente de la potencia que disipa el dispositivo. Esta resistividad se expresa como una cantidad relativa a la resistividad a 25 deg C sin potencia disipada, y puede ser de 500 Ohm a 10 MOhm.

Debido a que el coeficiente de temperatura es negativo, es posible para el resistor estar dentro de un lazo de autocalentamiento: una corriente que fluye por el resistor genera su calentamiento y la resistividad se reduce, más corriente fluye, se calienta más el resistor, etc. El alto valor del coeficiente de temperatura hace posible que el termistor se acople directamente a un circuito amplificador sin requerir un puente resistivo. La no linealidad se trata con la calibración del dispositivo.
Las técnicas de microingeniería pueden ser usadas en una variedad de opciones para mejorar los sensores térmicos. Como se mencionó, pueden ser usadas para aislar térmicamente el elemento sensor del resto del dispositivo. También se pueden producir arreglos de sensores para dar una señal más grande que la que proporciona un solo sensor. Si el dispositivo es pequeño y es aislado térmicamente, entonces su respuesta en el tiempo (el tiempo que al sensor le toma calentarse o enfriarse en respuesta a un cambio en la temperatura del medio) puede ser incrementada. Con los dispositivos basados en silicio se tiene, por supuesto, todos los beneficios potenciales de integrar circuitos (calibración, autoprueba, etc.) en el mismo chip.

Sensores térmicos de flujo

Existe un número de opciones para monitorear razones de flujo en gases usando sensores térmicos. Se puede medir la temperatura de un fluído conforme pase por el sensor, y como aquel pasa sobre un resistor "caliente" la diferencia en temperatura será proporcional a la razón másica del flujo. Otra posibilidad es mantener el sensor a una temperatura constante y medir la cantidad de potencia requerida para mantener esa temperatura. De nueva cuenta, la diferencia de temperatura será proporcional a la razón másica del flujo sobre el sensor.

Sensores Radiativos

Hay una variedad de sensores radiativos para diferentes tipos de fuentes radiantes, que incluye radiación nuclear así como luz visible, infraroja y ultravioleta. Sólo algunos de los más comúnes serán considerados en este documento: 1) el fotodiodo y el fototransistor y 2) el dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) y los sensores piroeléctricos.

Fotodiodo

El más simple fotodiodo es una unión p-n polarizada inversamente. Cuando la luz no incide sobre el dispositivo sólo una pequeña cantidad de corriente fluye (corrinte de obscuridad). Cuando la luz incide, se generan portadores y fluye una mayor corriente eléctrica. Un fotodiodo típico trabaja en la región del infrarojo cercano. Son dispositivos de alta impedancia y operan a bajas corrientes (corriente de obscuridad de 10 uA y hasta 100 uA con iluminación). Estos dispositivos presenta una respuesta lineal que se incrementa con la iluminación, y generalmente presentan una muy rápida respuesta en el tiempo.

Fototransistor

Este dispositivo presenta mayor corriente que un fotodiodo, para niveles comparables de iluminación. Sin embargo, no operan tan rápido como un fotodiodo (aproximadamente 10 kHz es el límite superior), y presentan altas corrientes de obscuridad. El fototransistor es básicamente un transistor con la corriente de base generada por la iluminación de la unión base-colector (ver fig. 3). La operación normal del transistor amplifica la pequeña corriente de base.

Dispositivo de acoplamiento de carga (CCD)

Los dispositivos de acoplamiento de carga pueden ser construidos como grandes arreglos lineales o bidimensionales. Estos últimos son a menudo usados en pequeñas cámaras de video. Estos dispositivos consisten de una gran cantidad de electrodos (o compuertas) en un substrato semiconductor. Entre los electrodos y el substrato se deposita una delgada película dieléctrica. La operación de un CCD se muestra en la fig. 4. El substrato se impurifica para obtener una corriente eléctrica debida a portadores positivos (denominados huecos). Al aplicar un voltaje positivo a cada tercer electrodo (V1), los portadores mayoritários son repelidos de la región inferior (ver fig. 4a) y se crean "pozos".

Cuando la luz incide sobre los dispositivos, portadores de carga adicionales son generados (como con fotodiodos). Los portadores positivos son repelidos y los portadores negativos atraidos hacia la compuerta, llenando los pozos (ver fig. 4b). Después de un tiempo los portadores de carga se acumulan, y el arreglo puede ser leído mediante el corrimiento de los portadores de un pozo hacia el siguiente. En la práctica, el potencial eléctrico de las compuertas (V2) situadas al lado de las ya polarizadas se incrementa, de manera que la carga es repartida entre los pozos situados bajo dos compuertas (ver fig. 4c). Luego el primer potencial (V1) es apagado y toda la carga es Transferida al pozo adyacente y así sucesivamente (ver fig. 4d). En estos dispositivos, el número de portadores existentes es proporcional a la cantidad de luz que llenó cada pozo.

Sensores piroeléctricos

Esos dispositivos operan sobre el efecto piroeléctrico en cristales polarizados (como en ZnO). Estos cristales tienen un nivel de polarización interconstruido que cambia con la cantidad de energía térmica incidente. Son dispositivos de alta impedancia que son manejados por transistores de efecto de campo. Pueden ser hechos para no responder a temperatura ambiente, y sólo responder ante rápidas fluctuaciones. Sin embargo, un grave problema de estos cristales es que exhiben también efecto piezoeléctrico, de manera que los sensores piroeléctricos requieren ser diseñados para evitar tensión en el cristal.

Una aplicación común de estos dispositivos es en la detección de movimiento (alarmas contra intrusos). En estos sistemas, una lente corta el campo "visible" del sensor en varias secciones. Conforme alguien se mueve y cruza el campo visible, la radiación térmica del cuerpo incide sobre el sensor, lo que resulta en pulsos discretos conforme la persona se mueve de una parte del campo visible a la siguiente. Es posible construir detectores de movimiento a bajo costo, inclusive éstos pueden ser entonados para responder a una particular razón de movimiento.

Óptica integrada

No se puede pasar por alto el tema de la óptica integrada cuando se habla de los sensores radiativos. El uso de la óptica integrada permite el análisis de datos adquiridos ópticamente (usualmente de sensores de fibra óptica). En estos dispositivos, las fibras ópticas son alineadas sobre la superficie del chip a través de canales maquinados en el substrato.
Los componentes pasivos incluyen:

dobladores,
acopladores,
espejos,
multiplexores divisores de longitud de onda y polarizadores.

Mientras que los componentes activos incluyen:

diodos laser,
fotodiodos, e
interruptores ópticos.

Sensores Magnéticos

Existen diversas formas de sensar campos magnéticos, por ejemplo los sensores ópticos pueden estar basados en cristales que exhiben efecto magneto-óptico, o en fibra óptica adecuadamente impurificada. Otra forma de sensado es mediante embobinados. Estas estructuras al ser bidimensionales, las hace imprácticas para muchas aplicaciones. Sin embargo, el desarrollo que han tenido los superconductores de alta energía aumentan la posibilidad de desarrollar sensores basados en dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID's), los cuales tienen la capacidad de detectar el campo magnético de la tierra o el del cerebro. Existen, por supuesto, otras variedades de otros diferentes dispositivos.

Una gran cantidad de mediciones pueden ser realizadas usando sensores de efecto Hall.

Un sensor de efecto Hall se muestra en la fig. 5, y consiste de un material conductor, usualmente semiconductor, y de una corriente eléctrica que se hace pasar entre dos electrodos, situados en lados opuestos del dispositivo. Dos contactos sensores son colocados en los lados restantes del dispositivo (opuestos uno a otro y en dirección perpendicular al flujo de corriente).

Los sensores de efecto Hall operan en el rango de 0.1 mT a 1 T (el campo magnético de la tierra es aproximadamente 50 T). Los circuitos de efecto Hall comerciales disponibles, proporcionan una respuesta del orden de 10 mV/mT.

1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6