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

Sensores Químicos

Hay una gran variedad de diferentes sensores químicos, especialmente si uno incluye los biosensores como una sub-clase de sensores químicos. Una importante cantidad de sensores químicos son basados en transistores de efecto de campo de estructura MOS. Por esta razón, el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) es discutido
en este documento.

El término "biosensor" se refiere a cualquier sensor que usa un componente biológico activo (o algún derivado biológico) en el proceso de transducción. Este componente puede ser una célula tomada de algún organismo vivo, y montado sobre un electrodo. De manera alternativa, se pueden usar anticuerpos, los que se unirán a algún material de interés y lo detendrán en una posición adecuada de sensado. Otra opción es usar una enzima que cataliza una reacción, la que puede ser detectada por métodos adecuados. A partir del interés en el monitoréo de niveles de glucosa en la sangre, los sensores de glucosa sanguínea han recibido mucha atención. Uno de estos sensores está basado en la aplicación de una enzima que oxida la glucosa.

Cabe señalar que existe una gran cantidad de investigación orientada hacia estos sensores. Sin embargo, aún existe una cantidad importante de problemas por resolver. Un gran problema se refiere al funcionamiento del sensor, el cual se degrada con el tiempo y en ocasiones de manera impredecible. Por lo que estos sensores son calibrados con regularidad, o sólo antes de su uso. Por supuesto que un sensor de glucosa sanguínea que proporciona lecturas en un periodo de 1 00 días, no puede ser usado en un páncreas artificial. Por lo tanto, mientras hay muchas aplicaciones potenciales para los sensores químicos, su uso es a menudo complicado por los requerimientos de calibración.

ISFET

Este dispositivo sensa la concentración de un ion particular en una solución. Estos dispositivos son basados en un MOSFET de enriquecimiento, como se muestra en la fig. 6.

Posee un electrodo metálico, separado de la oblea de silicio por una delgada película de óxido. El substrato semiconductor está contaminado con impurezas tipo p, de modo que la corriente eléctrica es debida a portadores de carga positiva. En los extremos de la compuerta se tienen pequeñas áreas contaminadas con impurezas donadoras, para que su corriente sea debida a electrones; estas regiones constituyen la región de fuente y drenaje del transistor. El silicio tipo p y tipo n forman diodos de unión y la corriente fluirá de la región p a la n, pero no en dirección opuesta. Para que el substrato no interfiera con la operación del transistor (compuerta, drenaje y fuente), se conecta al potencial más negativo del circuito.

Al estar en operación, un potencial positivo se aplica a la compuerta. Obteniendo una repulsión de huecos de la región cercana a la superficie y una atracción de electrones, los cuales forman un pequeño canal entre fuente y drenaje. La cantidad de corriente depende de la longitud del canal y del potencial que se aplica a la compuerta.

En el ISFET, la compuerta de metal es reemplazada por una membrana selectiva a iones (ver fig. 7), y su operación ocurre al introducir el dispositivo en una solución química. Los iones de esta solución interactúan con los iones de la membrana. Cuando existe una gran concentración de iones positivos en la solución, una gran cantidad de ellos se acumulan en la compuerta, originando una ampliación del canal. Mientras que bajas concentraciones de iones positivos mantienen el canal angosto.

Para asegurar que el canal del transistor está polarizado a una geometría óptima, a la cual el proceso de sensado ocurre, la solución es mantenida a un potencial de referencia mediante la introducción de un electrodo. Generalmente el potencial de referencia se ajusta para mantener constante el flujo de corriente de drenaje a fuente, de manera que la concentración iónica estará directamente relacionada al potencial de referencia con respecto al potencial de substrato (ver fig. 7).

Un problema importante en el diseño y fabricación de ISFETs es la seguridad de que la membrana esté adherida al sensor. Sí la integridad de la membrana es comprometida, el dispositivo será inútil y se afectará el rendimiento (%) del proceso de fabricación.

Biosensor basado en enzimas

Las enzimas son altamente específicas en las reacciones que catalizan. Si una enzima puede ser inmovilizada sobre un substrato sensor y la reacción producida es detectada, entonces se tiene la base para construir un biosensor altamente selectivo. Los biosensores basados en enzimas pueder sensar el nivel de glucosa. Este tipo de aplicación ha sido muy investigada desde que la glucosa es importante en el estudio de la diabetes y en diversos procesos de fermentación.

La operación de estos sensores se muestra en la fig. 8. La enzima es inmovilizada sobre un electrodo de platino y cubierta con una delgada membrana de poliuretano como protección. Esta protección también reduce la dependencia del sensor sobre los niveles de oxígeno en la sangre. Cuando se oxida la glucosa, ésta y su forma oxidante, penetran al sensor como ácido glucónico. Resultando en la conversión de la enzima a su forma reducida (la enzima no permanece en esta forma por mucho tiempo). El óxigeno que penetra a través de la membrana reacciona con la enzima, resultando un óxido "enzimático" y dos iones de Hidrógeno y dos de Oxígeno. Al polarizar el electrodo con un potencial adecuado se reduce uno de los iones de oxígeno, y el producto que resulta es oxígeno y agua. La corriente que se mide es proporcional a la concentración de glucosa en el medio externo.

Existen, por supuesto, otras opciones para monitorear esta reacción.

Cabe señalar que debido a que las moléculas presentan un movimiento a través del material que compone al sensor, estos biosensores responden muy lentamente a los cambios del medio externo.

Microelectrodos

Los microelectrodos de alambre muy fino o las micropipetas han sido usadas por mucho tiempo para el estudio del sistema nervioso sobre una base celular. Los microelectrodos de alambre tuvieron como principal objetivo las aplicaciones en las técnicas relacionadas con la microingeniería. La amplitud de la señal generada (del orden de 100 uV) y la alta impedancia (1-10 MOhm a 1.0 kHz) existente entre el metal y el tejido presentan la ventaja de poder colocar el circuito amplificador tan cerca como sea posible del sitio de interés.

Además, las características de los microdispositivos pueden ser más reproducibles que los microelectrodos metálicos manuales, y su pequeño tamaño permite la exacta inserción de muchos sitios de interés dentro de un pequeño volumen de tejido para estudiar redes de neuronas, o para aplicaciones de neuroprótesis.

Los microelectrodos operan mediante la detección del potencial eléctrico en el tejido cercano a una fibra nerviosa activa, esto es debido a la acción de la corriente que fluye a través de la membrana de la fibra nerviosa. Hay tres tipos de microelectrodos maquinados (ver fig. 9). El arreglo de microeletrodos que se muestra en la fig. 9a es usado para formar la base celular. Los microelectrodos que se muestran en la fig. 9b tienen sitios de lectura a lo largo de un "tallo" delgado, el cual es insertado en el tejido bajo investigación. Mientras que los electrodos de regeneración (ver fig. 9c) son colocados entre los extremos de varios "tallos" periféricos (las fibras nerviosas crecen ó se regeneran por medio del dispositivo).

Sensores Mecánicos

Dos clases de sensores mecánicos serán discutidos en este documento. El primero de ellos utiliza un mecanismo físico para sensar directamente el parámetro de interés (p.e. distancia, tensión), y la segunda clase usa microestructuras que permiten detectar parámetros que no pueden ser medidos directamente con los sensores de la primera clase (p.e. aceleración).

Piezorresistor

El cambio en la resistencia de un material debido a la aplicación de un esfuerzo es llamado efecto piezorresistivo. Los piezorresistores son fáciles de fabricar en silicio. Para lograrlo, sólo se introducen impurezas (tipo n o tipo p) en un pequeño volumen del silicio.

Sensor piezoeléctrico

Cuando una fuerza se aplica a un material piezoeléctrico, se induce una carga sobre la superficie que es proporcional esa fuerza aplicada.

La fuerza se puede estimar mediante la medición del potencial eléctrico que aparece en el cristal. Los cristales piezoeléctricos usados para la fabricación de microdispositivos incluyen ZnO y PbZrTiO3, los que pueden ser depositados sobre microestructuras y construir adecuados patrones.

Sensor capacitivo

Dos placas conductoras paralelas separadas por un dieléctrico, constituyen un capacitor cuya capacitancia está dada por la ec.(3); A es el área de las placas, d la separación de placas y e es una constante que depende del material existente entre las placas (esto asume que la circunferencia de las placas es mucho mayor que la separación entre ellas, de manera que el efecto de borde se puede ignorar).

C = eA / d
Eqn. (3)

Para aire e es aproximadamente 8.9 pF/m. Se puede ver que la capacitancia medida es inversamente proporcional a la distancia entre las placas. Esta característica, permite medir pequeños desplazamientos (de varios um a decenas de um) con alta exactitud. Por otro lado, la instrumentación requerida para medir cambios en la capacitancia es medianamente compleja.

Sensores ópticos

El silicio es un material refractivo, como son algunos otros materiales que se usan en la fabricación de dispositivos semiconductores (p.e. Aluminio). Esta característica óptica puede ser usada para sensar desplazamientos o deformaciones en micropuentes, membranas, etc. En esta técnica, el haz de un láser se hace incidir sobre la superficie para monitorear su desplazamiento o deformación mediante el análisis del patrón de interferencia que resulta. Esta técnica es usada en microscopía atómica para monitorear la flexión de un haz sobre una punta sensora.

Sensores resonantes

Estos son trampolínes o micropuentes que se ponen a oscilar a su frecuencia de resonancia. Cambios en esta frecuencia pueden ser medidos mediante el uso de piezorresistores, o usando técnicas ópticas. La fig. 10 muestra un micropuente, entonado en su resonancia, sobre un delgado diafragma. La resonancia del micropuente está relacionada con la fuerza aplicada, con su longitud, su grosor, su masa y el módulo de elasticidad del material a partir del cual fue fabricado. Si la membrana se deforma (ver fig. 10b) hay una presión más grande en un lado que en el otro, y entonces la fuerza aplicada al micropuente cambia y la frecuencia de resonancia también cambia.

Alternativamente, un dispositivo resonante puede ser usado como biosensor. Este se cubre con un material que "atrape" la substancia de interés. Esto incrementará la masa y por lo tanto se alterará la frecuencia de resonancia.

Acelerómetro

Un sensor de aceleración, o acelerómetro, consiste de una masa suspendida de un delgado puente (ver fig. 11). Cuando el dispositivo es acelerado, la fuerza que se experimenta dobla el delgado micropuente. Con piezorresistores situados cerca del borde del micropuente se puede detectar la aceleración. Otra opción es sensar capacitivamente el desplazamiento de la masa.

Sensor de presión

Los sensores de presión son basados en delgadas membranas. Sobre uno de sus lados hay una cavidad (para medir presión absoluta), mientras que el otro lado está expuesto a la presión a ser medida. La deformación de la membrana se mide mediante piezorresistores, o empleando técnicas capacitivas.

Conclusion

Todos estos principios físicos, químicos , eléctricos, ópticos, biológicos, magnéticos, electromagnéticos, cuánticos y de diversas ciencias , son utilizados por los SENSORES OCEANOGRAFICOS tanto los simples como los complejos, incluyendo a los SUPERSENSORES SATELITALES usados en Percepción Remota, (REMOTE SENSING).

Sin embargo , las configuraciones fundamentales han sido expuestas en este articulo.

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