1. Principio de Funcionamiento de los Sensores Autorresonantes

Enl principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencimetro—contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.
En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Figura 1. Representación Esquemática de Sensores Autorresonates.

Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.

2. Tipos de Sensores Autorresonantes

2.1 Sensores Basados en ondas superficiales
Los sensores SAW basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas Rayleigh en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. Los dispositivos SAW son estructuras la modificación de la superficie de un de masa depositada interdigitadas que se realizan sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas acústicas superficiales puedan ser generadas mediante una excitación eléctrica. Se pueden utilizar como substratos o medio de soporte el Si y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores SAW. Para ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, CdS, AIN y en particular el ZnO. Por otra parte el AIN presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura (como el cuarzo) y una velocidad de propagación de las ondas acústicas de hasta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos.
Son sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre 100 y 500 MHz y aunque pueden llegar, incluso, hasta pocos GHz tales frecuencias requieren un sofisticado diseñoo del circuito oscilador. Los transductores interdigitados (IDT) son los que se usan para excitar y detectar una onda acústica superficial sobre un substrato piezoeléctrico.

Figura 2. Sensores Basados en ondas superficiales (SAW).

5.2 Galgas Acústicas

Una galga acústica es un dispositivo capaz de resonar a frecuencia de la banda audible (de ahí su nombre), funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comunmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. También utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones.

2.3 Cilindros Vibrantes
Es un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes Utilizando, igual que antes, un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en éstas Se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven.
La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos, con una disposición como la indicada en la figura x Consiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el liquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta flexible en cada extremo.

Figura 3. Cilindros Vibrantes.

Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilación de los dos conductos, que se comportan como un diapasón, depende de la masa, en consecuencia de la densidad. La relación es de la forma

siendo fo la frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido YPc una constante que depende de la geometría del sistema. La frecuencia de salida se puede medir, por ejemplo, con un PLL cuyo VCO excita el tubo vibratorio. El filtro de paso bajo que hay entre el comparador de fase y el oscilador, filtra entonces el ruido de alta frecuencia captado por los hilos de conexión.

2.4 Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

Figura 4. Circuito equivalente de material piezolectrico

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.

Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.

• Termómetros Digitales de Cuarzo
• Microbalanzas de cuarzo
• Sensores de gas resonante
• Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

En este blooger se va a explicar específicamente de la microbalanzas de cuarzo

Microbalanzas de Cuarzo (QCM)

Las microbalanzas de cristal de cuarzo QCM (siglas de Quartz Cristal Microbalance). Es básicamente un sensor muy sensible, que mide pequeños cambios de masa en una sustancia. Su fundamento es un cristal piezoeléctrico que oscila a su frecuencia de resonancia, y, debido a los cambios en dicha frecuencia de resonancia cuando se deposita una pequeña cantidad de sustancia, se obtiene la cantidad de masa depositada. La correlación entre la masa y la frecuencia se obtiene por medio de la ecuación de Sauerbrey.

A. Principio de funcionamiento - Microbalanzas de Cuarzo

En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar una tensión mecánica sobre la superficie de diferentes cristales, entre ellos el cuarzo, se origina un potencial eléctrico a través del cristal, cuya magnitud es proporcional a la tensión aplicada. Este comportamiento se conoce como el efecto piezoeléctrico, aquellos que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM).

Figura5. Microbalanza de Cuarzo QCM.

Un sensor tipo QCM consiste en un disco delgado de cuarzo entre dos electrodos. Dadas las propiedades piezoeléctricas y orientación cristalográfica del cuarzo, mediante la aplicación de un voltaje entre los electrodos se produce una deformación del cristal. El cristal puede ser excitado hasta la resonancia cuando la frecuencia sea tal que el grosor del cristal es un número entero N de veces media longitud de onda. La frecuencia de resonancia del cristal depende de la masa total resonante, cuando se deposita una capa delgada y rígida. La variación de la frecuencia es proporcional a la cantidad de masa añadida y el sensor tipo QCM opera como una balanza sensible. Si la frecuencia de oscilación era fO, el área del cristal A, su densidad p. y la masa depositada Am. El desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey,

Normalmente, los QCM tienen incorporados un circuito oscilador donde la frecuencia de oscilación va disminuyendo conforme se va acumulando masa sobre la superficie del diseño. Estas microbalanzas tienen la capacidad de dar soluciones a un cierto número de medidas como monitorización del depósito del material sensible, detección de especies, degradación de mezclas complejas, detección cromatográfica de líquidos, y análisis electroquímicos. También ha sido demostrado como los QCM pueden operar en contacto con líquidos.
Kanazawa y Gordon han mostrado que los QCM pueden ser sensibles a la viscosidad y densidad de la solución en contacto. Sin embargo, la medida de la frecuencia de resonancia en si misma no puede distinguir cambios másicos de los cambios en las propiedades de la disolución. Cuando la admitancia se mide en un rango de frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia, los QCMs bien caracterizados pueden diferenciar entre estos mecanismos de carga.

Circuito Equivalente
El sistema formado por el cristal junto con los dos electrodos y el oscilador puede simularse por el circuito equivalente de la figura.

Figura 6. Circuito Equivalente de una Sensor QMC.

La curva de impedancia obtenida se ajusta al circuito y los parámetros que se obtienen se usan para calcular valores tales como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad Q y la disipación D.

3. Construcción de Microbalanzas de Cuarzo

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzos) son construidos con una fina lámina de cristal de cuarzo situado entre dos electrodos, donde la frecuencia de oscilación del sensor viena dada por el grueso de la lámina de cuarzo y el corte del cristal original para obtener la lamina.

Figura 7. Sensores QCM.

El corte utilizados en la microbalanza de cuarzo son paralelos a los planos XZ o YZ, que se conocen, respectivamente, como cortes X o Y. El corte "AT" (35º de inclinación con respecto al plano XZ (Figura 8)) es el más utilizado y se fabrica hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Una lámina de este tipo, en su modo fundamental de oscilación, se contrae y expande a lo largo de un eje normal a las caras principales por efecto de un campo eléctrico perpendicular a dicho eje, el plano principal permanece en reposo y las dos caras tienen la máxima amplitud de movimiento.

Figura 8. Corte de Cristal de Cuarzo.

En la siguiente figura se muestra un esquema de la construcción interna de un cristal de cuarzo, aunque su grueso se ha exagerado. Para un cristal cuya frecuencia sea de por ejemplo, 15 MHz el grueso de la lámina de cuarzo estará alrededor 0,15 mimetros.

Figura 9. Esquema de construcción interna Cristal de Cuarzo.

El cristal de cuarzo es un material frágil y por tanto es preciso protegerlo con una capsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno.

El circuito eléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico oscilante entre las dos placas, lo cual provoca el comportamiento piezoeléctrico de la lámina de cuarzo; cuya frecuencia de resonancia varía según el tipo de corte y el espesor de la lámina, en la siguiente figura se muestra la lámina de cuarzo incluido el circuito eléctrico.

Figura 10. Lamina de Cuarzo con circuito electrico.

4. Sistema de Acondicionamiento

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzo) poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Ademas estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito basico de los osciladores son los serie y los paralelos.

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.

Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

Otro circuito acondicionador mas complejo utilizando parta e oscilador transitor Schottky como se muestra en la siguiente figura

5. Aplicaciones de Microbalanzas de Cuarzo

Las microbalanzas de cristal de cuarzo QCM es un sensor muy sensible a los cambios de masa. Además monitoriza, en tiempo real, los cambios de masa con una gran sensibilidad. Ello permite que las aplicaciones a las que se puede dedicar abarcan un espectro muy amplio de campos. Desde Biotecnología (detección de virus, membranas biológicas, interacción de ADN y ARN, absorción de proteínas, reacciones inmunológicas), formación de monocapas (Langmuir-Blodgett, bicapas), investigación con surfactantes (efectividad e interacciones) y muchos otros.

5.1-Biomateriales
Cabe destacar:

• Absorción de proteínas
• Reacciones inmunológica
• Adhesión de células
• Biocompatibilidad de superficies
  

5.2- Superficies funcionales
Por ejemplo:

• Creación de superficies selectivas
• Membranas de Lípidos
• Superficies poliméricas
• Superficies reactivas
  

5.3- Formación de capas delgadas

• Películas L y LB
• Monocapas self-assembled
• Absorción polielectrolítica
• Superficies reactivas
• Recubrimientos
• Formación de bicapas
• Monocapas absorbidas

5.4- Surfactantes
Cabe destacar:

• Efectividad de surfactantes
• Interacción surfactante-superficie

3.5.- Otras Investigaciones Químicas
Cabe destacar:

• Disoluciones de polímeros
• Interacciones moleculares con drogas

6. Problema Práctico Industrial

Analisis de Compuesto del Agua

Una matriz de las microbalanzas cristalinas del cuarzo (QCMs) se ha desarrollado para medir y para identificar cantidades de rastro de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) en agua. En un sistema de experimentos, un total de nueve QCMs polímero-revestido fue probado con concentraciones que variaban de doce VOCs mientras que la frecuencia y el voltaje el humedecer fueron medidos. QCMs es rugoso, de baja potencia, miniaturizado fácilmente, y capaz del producto químico directo que detecta en líquidos. Por otra parte, QCMs se puede adaptar para muchas diversas aplicaciones desarrollando las capas que responden a diversas moléculas de la blanco, agregando a su flexibilidad.

Usos

La capacidad de proporcionar la supervisión en tiempo real de contaminantes químicos en muestras de agua se puede utilizar para una variedad de usos: en línea la supervisión de contaminantes en proceso, recicla, y el agua inútil supervisión de la calidad de la agua subterránea detección de contaminantes en corrientes, los lagos y los abastecimientos de agua supervisión de descargar en canales costa afuera.

Los compuestos estudiaron con la matriz QCM para evaluar la utilidad de los sensores de QCM para detectar una gama de los contaminantes de VOC, los compuestos siguientes fueron probados:

• VOCs polar - acetona, isopropanol, glicol de etileno, y acetato ethyl.
• VOCs no polar - p-xileno, tolueno, cyclohexane, y n-pentane.
• Hidrocarburos tratados con cloro - carbontetrachloride, cloroformo, tricloroetileno (TCE) y tetrachloroethylene (PCE).