BR102014009745B1

BR102014009745B1 - SENSOR DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF ANALYTES IN LIQUID PHASE, PREFERENTIALLY ALCOHOL AND / OR WATER, AND METHOD OF CONSTRUCTION OF THE SENSOR DEVICE

Info

Publication number: BR102014009745B1
Application number: BR102014009745-7A
Authority: BR
Inventors: Angelo Luiz Gobbi; Carlos Cesar Bof Bufon; Maria Helena De Oliveira Piazzetta; Paulo Zambrozi Junior; Rui Cesar Murer
Original assignee: Centro Nacional De Pesquisa Em Energia De Materiais
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2021-03-30
Also published as: BR102014009745A2; WO2015161353A1

Abstract

dispositivo sensor para determinação da concentração de analitos em fase líquida, preferencialmente álcool e/ou água, e método de construção do dispositivo sensor a presente invenção refere-se a um dispositivo sensor para determinação da concentração de analitos em misturas líquidas, preferencialmente destinado para medir a concentração de água em soluções alcoólicas ou de álcool em soluções aquosas. a invenção refere-se ainda a técnicas de microfabricação e de deposição de filmes finos para a fabricação do dispositivo sensor referido, compreendendo um conjunto de eletrodos interdigitados (11) arranjados em rede que são posteriormente encapsulados por camadas de óxidos isolantes (13) que formam uma espessura nanométrica ótima. a concentração do analito é expressa pelo sensor em função da medida da impedância combinada do sistema híbrido que é constituída pela impedância da camada nanométrica de isolante associada à impedância do analito na fase líquida. este dispositivo sensor pode estar em uma configuração fixa ou portátil e informa de forma prática e rápida a concentração dos analitos de interesse em uma ampla faixa de trabalho, operando a condições ambientes de temperatura, pressão e umidade.sensor device for determining the concentration of analytes in liquid phase, preferably alcohol and / or water, and method of construction of the sensor device the present invention relates to a sensor device for determining the concentration of analytes in liquid mixtures, preferably intended to measure the concentration of water in alcoholic solutions or alcohol in aqueous solutions. the invention also relates to microfabrication and thin film deposition techniques for the manufacture of the aforementioned sensor device, comprising a set of interdigitated electrodes (11) arranged in a network that are later encapsulated by layers of insulating oxides (13) forming an optimal nanometric thickness. the concentration of the analyte is expressed by the sensor as a function of the combined impedance measurement of the hybrid system, which consists of the impedance of the nanometric layer of insulator associated with the impedance of the analyte in the liquid phase. this sensor device can be in a fixed or portable configuration and in a practical and quick way it informs the concentration of the analytes of interest in a wide range of work, operating under ambient conditions of temperature, pressure and humidity.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um sensor para determinação da concentração de analitos em misturas líquidas, preferencialmente destinado para medir a concentração de água em soluções alcoólicas ou de álcool em soluções aquosas. A invenção refere-se ainda a técnicas de microfabricação e de deposição de filmes finos para a fabricação do dispositivo sensor referido, constituído por um conjunto de eletrodos interdigitados arranjados em rede e encapsulados por uma ou mais nanocamadas de óxidos isolantes, criando uma estrutura de espessura nanométrica ótima.[001] The present invention relates to a sensor for determining the concentration of analytes in liquid mixtures, preferably intended to measure the concentration of water in alcoholic solutions or alcohol in aqueous solutions. The invention also relates to microfabrication and thin film deposition techniques for the manufacture of the aforementioned sensor device, consisting of a set of interdigitated electrodes arranged in a network and encapsulated by one or more insulating oxide nanolayers, creating a thickness structure optimal nanometer.

[002] A concentração do analito é expressa pelo sensor em função da medida da impedância combinada do sistema híbrido, que é composta pela impedância da camada nanométrica do isolante e a impedância do analito na fase líquida.[002] The analyte concentration is expressed by the sensor as a function of the combined impedance measurement of the hybrid system, which is composed of the impedance of the nanometer layer of the insulator and the impedance of the analyte in the liquid phase.

[003] O dispositivo sensor objeto desta invenção pode estar em uma configuração fixa ou portátil e informa, de forma prática e rápida, a concentração dos analitos de interesse em um amplo intervalo de trabalho e em condições ambientes de temperatura, pressão e umidade.[003] The sensor device object of this invention can be in a fixed or portable configuration and informs, in a practical and fast way, the concentration of the analytes of interest in a wide working range and in ambient conditions of temperature, pressure and humidity.

FIELD OF THE INVENTION

[004] A presente invenção constitui uma evolução do estado da arte quanto ao desenvolvimento de sensores para determinação da concentração de analitos, especificamente da concentração de álcool ou da concentração de água em suas misturas em fase líquida, permitindo ampliar a sua aplicação nos mercados doméstico e industrial.[004] The present invention constitutes an evolution of the state of the art regarding the development of sensors for determining the concentration of analytes, specifically the concentration of alcohol or the concentration of water in their mixtures in liquid phase, allowing to expand its application in the domestic markets and industrial.

TECHNICAL FUNDAMENTALS

[005] A invenção se fundamenta em técnicas de microfabricação de dispositivos sensores em escalas micro- e nanométrica, conhecidas do estado da arte, associadas a um método inédito de deposição de camadas de óxidos isolantes sobre um conjunto de eletrodos in.terdigitados arranjados em rede, permitindo reduzir as dimensões do dispositivo em questão neste texto e torná-lo portátil e funcional.[005] The invention is based on microfabrication techniques of sensor devices in micro- and nanometric scales, known from the state of the art, associated with an unprecedented method of depositing layers of insulating oxides on a set of unstressed electrodes arranged in a network , allowing to reduce the dimensions of the device in question in this text and make it portable and functional.

[006] A invenção se fundamenta ainda em propriedades qualitativas e quantitativas, respectivamente a presença de um analito em uma mistura e a concentração do analito em uma mistura, expressas a partir da aquisição pelo sensor de medidas da impedância combinada do sistema hibrido, composta pela impedância das camadas nanométricas do material isolante associada à impedância do analito na mistura em fase liquida.[006] The invention is also based on qualitative and quantitative properties, respectively the presence of an analyte in a mixture and the concentration of the analyte in a mixture, expressed from the acquisition by the sensor of measurements of the combined impedance of the hybrid system, composed by the impedance of the nanometric layers of the insulating material associated with the impedance of the analyte in the liquid phase mixture.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[007] 0 etanol proveniente da fermentação alcoólica do melaço da cana é o terceiro produto químico de maior consumo na balança comercial brasileira e a sua concentração de água é um dos principais parâmetros para definir seus usos e mercados.[007] Ethanol from alcoholic fermentation of sugarcane molasses is the third most consumed chemical in the Brazilian trade balance and its water concentration is one of the main parameters to define its uses and markets.

[008] O etanol anidro combustível representa 32,5% do consumo brasileiro em volume, o etanol hidratado combustível representa 43,2% deste mesmo consumo e os outros 24,3% são consumidos como álcool hidratado em diferentes fins.[008] Anhydrous ethanol fuel represents 32.5% of Brazilian consumption in volume, hydrous ethanol fuel represents 43.2% of this same consumption and the other 24.3% is consumed as hydrated alcohol for different purposes.

[009] 0 álcool etílico anidro combustível (AEAC) é misturado à gasolina brasileira e tem uma concentração máxima de água em torno de 0,7% em peso ponderai, de modo a garantir a integridade dos sistemas onde o produto é utilizado. O álcool etílico hidratado combustível (AEHC) é processado diretamente pelo motor de automóveis com tecnologia flex fuel e possui em média 7% em peso ponderai de água. 0 álcool hidratado com teor de água entre 7 e 30% em peso ponderai é usado como componente de produtos comerciais e domésticos tais como antissépticos de uso hospitalar, perfumes, desodorantes, cremes, produtos de toalete, detergentes, produtos de limpeza, tinturas têxteis, tintas e solventes especiais. Também é usado como matéria-prima ou solvente em processos industriais contínuos e em batelada tais como a fabricação de bebidas alcoólicas e do vinagre, a precipitação de impurezas e a solubilização de aromas na fabricação de alimentos e cigarros, a extração de compostos orgânicos de plantas e de tecidos animais, a fabricação de vacinas e antibióticos e a produção de perfumes.[009] The fuel anhydrous ethyl alcohol (AEAC) is mixed with Brazilian gasoline and has a maximum water concentration of around 0.7% by weight, in order to guarantee the integrity of the systems where the product is used. Fuel hydrated ethyl alcohol (AEHC) is directly processed by the flex fuel car engine and has an average of 7% by weight of water. Hydrated alcohol with a water content between 7 and 30% by weight is used as a component of commercial and household products such as hospital antiseptics, perfumes, deodorants, creams, toiletries, detergents, cleaning products, textile dyes, special paints and solvents. It is also used as a raw material or solvent in continuous and batch industrial processes such as the manufacture of alcoholic beverages and vinegar, the precipitation of impurities and the solubilization of aromas in the manufacture of food and cigarettes, the extraction of organic compounds from plants and animal tissues, the manufacture of vaccines and antibiotics and the production of perfumes.

[0010] A forma mais comum de adulteração do etanol é através da adição de água, processo que é imperceptível ao consumidor tanto olfativa quanto visualmente. Assim, o controle quantitativo da concentração de água presente no etanol é imperativo para a garantia da sua qualidade. Métodos analíticos frequentemente usados neste controle são a espectrofotometria, a cromatografia em fase gasosa, a titulação por Karl Fischer e a relação concentração versus densidade da mistura etanol/água. A correta seleção de um destes métodos depende da estimativa aproximada da concentração da água presente no etanol, pois cada método é eficaz em uma estreita faixa de concentração. Esses métodos também apresentam a desvantagem de serem análises de longa duração, demandarem pessoal especializado para sua execução, terem restrições de execução nos locais de amostragem e necessitarem de materiais, equipamentos e reagentes específicos.[0010] The most common form of adulteration of ethanol is through the addition of water, a process that is imperceptible to the consumer, both olfactory and visually. Thus, the quantitative control of the concentration of water present in ethanol is imperative to guarantee its quality. Analytical methods frequently used in this control are spectrophotometry, gas chromatography, Karl Fischer titration and the concentration versus density ratio of the ethanol / water mixture. The correct selection of one of these methods depends on the approximate estimate of the water concentration present in the ethanol, as each method is effective in a narrow concentration range. These methods also have the disadvantage that they are long-term analyzes, require specialized personnel for their execution, have restrictions of execution in the sampling sites and require specific materials, equipment and reagents.

[0011] O uso de dispositivos sensores de concentração para leitura direta da concentração de água ou de álcool em misturas álcool/água é uma alternativa para minimizar ou eliminar as restrições citadas acima, possibilitando trabalhar dentro de uma ampla faixa de concentração.[0011] The use of concentration sensing devices to directly read the concentration of water or alcohol in alcohol / water mixtures is an alternative to minimize or eliminate the restrictions mentioned above, making it possible to work within a wide concentration range.

[0012] Sensores para determinação da presença e/ou da concentração de alcoóis vêm sendo extensivamente estudados desde os anos 70, quando surgiram os sensores conhecidos popularmente como "bafômetros", ou seja, sensores portáteis para detecção de vapores de etanol exalado pela respiração e pelo hálito humano após ingestão de bebidas alcoólicas, que indicam, a concentração de álcool ou de seus metabólitos presente no organismo e sua implicação na segurança na condução de veículos. Estes dispositivos utilizam membranas como elementos sensores, que realizam a associação da medida da pressão parcial dos vapores de álcool na fase gasosa com valores de concentração. A evolução do seu estado da arte se sofisticou progressivamente de modo que estes sensores hoje são totalmente automatizados e têm aplicações em diversos segmentos de mercado, especialmente no automotivo, onde por intertravamento dos sistemas de ignição automotiva, um motorista não consegue acionar o motor do seu automóvel se ele é reprovado no teste do bafômetro acoplado ao sistema de partida do veículo (veja patentes US 3,780,311 e US 3,940,251).[0012] Sensors for determining the presence and / or concentration of alcohols have been extensively studied since the 1970s, when the sensors popularly known as "breathalyzers" appeared, that is, portable sensors for detecting vapors of ethanol exhaled by breathing and by human breath after drinking alcoholic beverages, which indicate the concentration of alcohol or its metabolites present in the body and its implication in safety when driving vehicles. These devices use membranes as sensing elements, which perform the association of the measurement of the partial pressure of alcohol vapors in the gas phase with concentration values. The evolution of its state of the art has become progressively more sophisticated, so that these sensors are now fully automated and have applications in several market segments, especially in the automotive sector, where by interlocking the automotive ignition systems, a driver is unable to start the engine of his vehicle. automobile if it fails the breathalyzer test coupled to the vehicle's starting system (see US patents 3,780,311 and US 3,940,251).

[0013] Sensores baseados em membranas são também muito comuns na detecção de vapores de alcoóis presentes em atmosferas industriais, identificando condições de risco associadas a atmosferas explosivas, ou para medida da concentração do etanol em correntes intermediárias ou finais de produtos, principalmente em processos fermentativos (veja Meiering et al., US 5,204,262).[0013] Sensors based on membranes are also very common in the detection of vapors of alcohols present in industrial atmospheres, identifying risk conditions associated with explosive atmospheres, or for measuring the concentration of ethanol in intermediate or final product streams, mainly in fermentation processes (see Meiering et al., US 5,204,262).

[0014] Métodos convencionais para medir o teor de água ou de álcool em fase liquida geralmente se encaixam em duas categorias: métodos quantitativos, que requerem mão de obra e equipamentos caros, e métodos qualitativos, que são métodos mais simples. Nos dois casos, a escolha do método mais adequado dependerá da faixa de trabalho na qual a concentração do analito se encontra e de uma estimativa razoavelmente aproximada da concentração por um operador tecnicamente treinado.[0014] Conventional methods for measuring the water or alcohol content in liquid phase generally fall into two categories: quantitative methods, which require expensive labor and equipment, and qualitative methods, which are simpler methods. In both cases, the choice of the most suitable method will depend on the working range in which the concentration of the analyte is found and on a reasonably approximate estimate of the concentration by a technically trained operator.

[0015] Um método clássico para medir a concentração de água dissolvida em alcoóis é a determinação da massa especifica e do teor alcoólico do álcool etilico e de suas misturas em água com o uso de um densímetro, de acordo com a norma ABNT NBR 5992, onde através de tabelas de correção determina-se a massa específica reduzida a 20°C e o valor do teor alcoólico em °INPM (porcentagem de álcool em peso, determinado dentro dos padrões estabelecidos pelo INMETRO). Apesar de este método ser de fácil aplicação e baixo custo, esta técnica fornece resultados pouco confiáveis devido a altos desvios em baixas concentrações e à possibilidade de adulteração do densímetro.[0015] A classic method for measuring the concentration of water dissolved in alcohols is the determination of the specific mass and alcoholic content of ethyl alcohol and its mixtures in water using a densimeter, according to the ABNT NBR 5992 standard, where, through correction tables, the specific mass reduced to 20 ° C and the alcohol content in ° INPM (percentage of alcohol by weight, determined within the standards established by INMETRO) are determined. Although this method is easy to apply and low cost, this technique provides unreliable results due to high deviations in low concentrations and the possibility of tampering with the densimeter.

[0016] Outro método para a medição da concentração de álcool é a titulação coulométrica Karl Fischer (ASTM D1744). Este método é bastante rápido e preciso, porém requer um operador treinado, um reagente que apresenta potencial risco toxicológico de exposição e equipamento fixo em bancada de laboratório, não podendo, desta forma, ser aplicado em um ambiente de campo.[0016] Another method for measuring alcohol concentration is Karl Fischer coulometric titration (ASTM D1744). This method is very fast and precise, but requires a trained operator, a reagent that presents a potential toxicological risk of exposure and fixed equipment on a laboratory bench, and therefore cannot be applied in a field environment.

[0017] Resultados ainda mais precisos na determinação da concentração de água em diferentes faixas de trabalho podem ser obtidos por métodos quantitativos sofisticados como a cromatografia gasosa de alta resolução acoplada a um espectrômetro de massa (HRGC-MS), pela determinação da entalpia de diluição do etanol na mistura água/álcool ou por métodos colorimétricos ou espectrofotométricos através da medida da variação de absorbância de uma mistura água/álcool após adição à mesma de um indicador que sofre mudança de cor em função da concentração de água ou de álcool, porém todos estes métodos são de alto custo, demandam operadores capacitados para coleta adequada de amostra e não permitem medição direta em correntes de processos e em aplicações domésticas e comerciais.[0017] Even more accurate results in determining the water concentration in different working ranges can be obtained by sophisticated quantitative methods such as high-performance gas chromatography coupled to a mass spectrometer (HRGC-MS), by determining the dilution enthalpy of ethanol in the water / alcohol mixture or by colorimetric or spectrophotometric methods by measuring the change in absorbance of a water / alcohol mixture after adding to it an indicator that changes color depending on the concentration of water or alcohol, however all these methods are expensive, demand trained operators for adequate sample collection and do not allow direct measurement in process currents and in domestic and commercial applications.

[0018] A literatura aponta muitos estudos de autores que perceberam a utilidade de sensores para a determinação da concentração de analitos em misturas liquidas, por serem compactos, fáceis de usar, duráveis e resistentes à degradação quimica. Além disso, estes dispositivos sensores em geral são de baixo custo devido à sua simplicidade de construção, que compreende circuitos de transdução de sinal, uma unidade de processamento onde se aplica um algoritmo para processamento dos dados de medição do sensor e um tipo de comunicação, tal como um dispositivo de exibição visual ou uma transmissão elétrica de saida.[0018] The literature points to many studies by authors who realized the usefulness of sensors for determining the concentration of analytes in liquid mixtures, as they are compact, easy to use, durable and resistant to chemical degradation. In addition, these sensor devices are generally low-cost due to their simplicity of construction, which comprises signal transduction circuits, a processing unit where an algorithm for processing sensor measurement data and a type of communication is applied, such as a visual display device or an electrical output transmission.

[0019] Covington & Sibbald, na patente EP 0078590 e Liu & Kagagounis, na patente US 4,571,292, foram alguns dos primeiros autores a citarem a aplicação de sensores construídos a partir de eletrodos metálicos interdigitados em rede por técnicas de microf abricação tal como MEMS (micro electro mechanical system ou sistema micr.o- eletromecânico) para determinação eletroquimica da concentração de analitos em misturas líquidas. A partir destas patentes, vários projetos de sensores usando a técnica de MEMS e de deposição de filmes finos e realizando medidas fundamentadas em distintas técnicas científicas foram patenteados para a determinação da concentração de analitos em sistemas líquidos ou em aplicações específicas. Os projetos em geral são desenvolvidos com base nas diferentes sensibilidades e comportamentos de resposta de cada tipo de sensor, sejam biossensores, sensores químicos, sensores físicos, sensores elétricos ou sensores ópticos.[0019] Covington & Sibbald, in EP patent 0078590 and Liu & Kagagounis, in US patent 4,571,292, were some of the first authors to mention the application of sensors built from metallic electrodes interdigitated in networks by microfibration techniques such as MEMS ( micro electro mechanical system or micro-electromechanical system) for electrochemical determination of the concentration of analytes in liquid mixtures. From these patents, several sensor designs using the MEMS technique and thin film deposition and carrying out measures based on different scientific techniques were patented to determine the concentration of analytes in liquid systems or in specific applications. The projects in general are developed based on the different sensitivities and response behaviors of each type of sensor, be it biosensors, chemical sensors, physical sensors, electrical sensors or optical sensors.

[0020] Sensores para determinação de água ou alcoóis em soluções hidroalcoólicas estão disponíveis como sensores discretos (por exemplo, sensores de "prateleira") ou como sensores integrados ao substrato. Estes sensores medem a variação de uma propriedade dos analitos tal como sua atividade biológica, atividade química ou atividade iônica, pH, temperatura, pressão de vapor, propriedades óticas, radioatividade ou condutividade elétrica. Estes sensores contêm um ou mais transdutores que convertem a interação entre os analitos e o meio em um sinal eletrônico, através do qual se reconhece a natureza do analito em questão. Os referidos transdutores podem ser eletroquímicos, mecânicos, piezelétricos, ópticos ou térmicos, como citado. Os sensores do tipo biossensores para a determinação de água ou alcoóis em misturas hidroalcoólicas contêm, além dos transdutores, um elemento de reconhecimento tal como uma enzima ou um anticorpo, que também interage com os analitos.[0020] Sensors for determining water or alcohols in hydroalcoholic solutions are available as discrete sensors (for example, "shelf" sensors) or as sensors integrated into the substrate. These sensors measure the variation of a property of the analytes such as their biological activity, chemical activity or ionic activity, pH, temperature, vapor pressure, optical properties, radioactivity or electrical conductivity. These sensors contain one or more transducers that convert the interaction between the analytes and the medium into an electronic signal, through which the nature of the analyte in question is recognized. Said transducers can be electrochemical, mechanical, piezoelectric, optical or thermal, as mentioned. Biosensor sensors for the determination of water or alcohols in hydroalcoholic mixtures contain, in addition to the transducers, a recognition element such as an enzyme or an antibody, which also interacts with the analytes.

[0021] Uma técnica usada para a detecção qualitativa ou determinação da quantidade de etanol em sistemas aquosos está descrita na patente de aplicação US 2002023849 de Madganlal & McIntyre, que descreve um dispositivo sensor construído a partir de uma barreira substancialmente não- porosa de cloreto de polivinila não plastificado (PVC), interposta entre a amostra a ser analisada e um meio de detecção sensível ao etanol. O etanol difunde-se através da membrana de barreira e, em seguida, é medido nos meios de detecção. A membrana de PVC pode ser feita por moldagem com solvente, e possui geralmente de 10 a 40 μm de espessura. A medição pode ser feita por quaisquer métodos conhecidos, mas a forma preferencial é a eletroquímica, usando a técnica de amperometria. A membrana de PVC pode ser parte de um sistema múltiplo de membranas. O método e o sensor são aplicados na análise de bebidas alcoólicas, tais como cerveja, vinho e outros produtos de fermentação, em sua forma final ou nas fases intermediárias da sua fabricação ou armazenagem, e também para o controle de uma vasta gama de processos, resíduos e efluentes líquidos.[0021] A technique used for the qualitative detection or determination of the amount of ethanol in aqueous systems is described in application patent US 2002023849 to Madganlal & McIntyre, which describes a sensor device constructed from a substantially non-porous chloride barrier. non-plasticized polyvinyl (PVC), interposed between the sample to be analyzed and a detection medium sensitive to ethanol. Ethanol diffuses through the barrier membrane and is then measured in the detection media. The PVC membrane can be made by molding with solvent, and is generally 10 to 40 μm thick. The measurement can be done by any known methods, but the preferred form is electrochemistry, using the amperometry technique. The PVC membrane can be part of a multiple membrane system. The method and the sensor are applied in the analysis of alcoholic beverages, such as beer, wine and other fermentation products, in their final form or in the intermediate stages of their manufacture or storage, and also for the control of a wide range of processes, waste and liquid effluents.

[0022] Gonzalez-Martin em sua patente US 6,994,777, Lewis & Freund em sua patente W09630750 e Lewis & Severin em sua patente US 6,093,308 descrevem sensores químicos para detecção da presença de alcoóis e de outros analitos em fluidos. Os sensores listados por estas patentes compreendem, pelo menos, um par de eletrodos e uma composição de polimero eletricamente condutor disposta em contato entre cada um dos pares de eletrodos, em contato direto com o fluido. Estes sensores têm como característica a necessidade de uma pluralidade de diferentes composições poliméricas, cada uma com um par de eletrodos dedicado, para gerar um conjunto de sinais que darão a impressão digital única de um determinado analito, diferentemente do sensor descrito nesta invenção, que independe de polimeros condutores e cuja rede de eletrodos metálicos revestida com uma única composição de óxido pode determinar diferentes analitos.[0022] Gonzalez-Martin in his US patent 6,994,777, Lewis & Freund in his patent W09630750 and Lewis & Severin in his US patent 6,093,308 describe chemical sensors for detecting the presence of alcohols and other analytes in fluids. The sensors listed by these patents comprise at least one pair of electrodes and an electrically conductive polymer composition arranged in contact between each pair of electrodes, in direct contact with the fluid. These sensors are characterized by the need for a plurality of different polymeric compositions, each with a pair of dedicated electrodes, to generate a set of signals that will give the unique digital impression of a certain analyte, differently from the sensor described in this invention, which does not depend conductive polymers and whose network of metal electrodes coated with a single oxide composition can determine different analytes.

[0023] Outro exemplo de técnica utilizada para determinação da concentração de um álcool de baixo peso molecular em misturas aquosas através do uso de sensores pode ser observado na patente de aplicação US 2011291676 de Shen et al. que descreve um dispositivo constituído por dois sensores construídos a partir de tubos capilares, um hidrofilico e o outro hidrofóbico, que são posicionados entre eletrodos de forma a criar capacitores, e descreve um método baseado na relação direta da medida da variação de capacitância entre esses sensores com a concentração de álcool, quando esses sensores são inseridos na mistura água/álcool e submetidos a uma corrente.[0023] Another example of a technique used to determine the concentration of a low molecular weight alcohol in aqueous mixtures through the use of sensors can be seen in the application patent US 2011291676 to Shen et al. which describes a device made up of two sensors built from capillary tubes, one hydrophilic and the other hydrophobic, which are positioned between electrodes in order to create capacitors, and describes a method based on the direct relationship of the measurement of the change in capacitance between these sensors with the concentration of alcohol, when these sensors are inserted in the water / alcohol mixture and submitted to a current.

[0024] A literatura indica registro de uma vasta lista de patentes concedidas a sensores que, por contato direto com o meio, determinam a concentração de um analito em misturas liquidas através da medida da variação da impedância do meio liquido, incluindo a concentração de água e álcoois em suas misturas. Essa impedância é expressa pela oposição que o circuito do sensor apresenta à tensão gerada pela aplicação de uma corrente alternada sobre o meio. No entanto, estas invenções não preveem uma forma de preservar os sensores quanto à sua corrosão ou degradação pelos compostos das referidas misturas, uma vez que os eletrodos metálicos estão em contato direto com a solução.[0024] The literature indicates registration of a vast list of patents granted to sensors that, by direct contact with the medium, determine the concentration of an analyte in liquid mixtures by measuring the variation of the impedance of the liquid medium, including the concentration of water and alcohols in their mixtures. This impedance is expressed by the opposition that the sensor circuit presents to the voltage generated by the application of an alternating current over the medium. However, these inventions do not provide a way to preserve the sensors in terms of their corrosion or degradation by the compounds of said mixtures, since the metal electrodes are in direct contact with the solution.

[0025] Outra desvantagem do uso de sensores de contato direto com meios liquidos, como acima citado, reside quando tensões elétricas são aplicadas diretamente sobre misturas liquidas que contenham analitos de baixo ponto de fulgor tais como o etanol, promovendo o risco de explosão. Ainda, quando tensões elétricas aplicadas diretamente sobre analitos podem decompô-los ou degradá-los quimicamente através do desencadeamento de reações indesejadas de oxi- redução. Nestas condições e em outras não citadas, sensores em contato direto com analitos liquidos podem mostrar-se extremamente instáveis e gerar leituras não confiáveis e/ou reprodutíveis.[0025] Another disadvantage of using direct contact sensors with liquid media, as mentioned above, lies when electrical voltages are applied directly to liquid mixtures containing low-flash point analytes such as ethanol, promoting the risk of explosion. Also, when electrical voltages applied directly to analytes can break them down or chemically degrade them by triggering unwanted oxyduction reactions. In these conditions and in others not mentioned, sensors in direct contact with liquid analytes can prove to be extremely unstable and generate unreliable and / or reproducible readings.

[0026] Drack, na patente WO 2009089339, descreve um sensor destinado a etanol combustível construído a partir de eletrodos em rede que determina qualitativamente a presença de água em etanol combustível armazenado em um tanque. Se o etanol armazenado no tanque de combustível contém uma grande quantidade de água, ocorre separação de fases e uma camada de água se decanta no fundo do tanque. Os eletrodos do sensor, posicionados verticalmente ao longo da parede do tanque, efetuam a medida da corrente ou da impedância complexa do liquido contido entre os eletrodos e associam esta medida com propriedades intrínsecas do analito. 0 sensor identifica qual é o líquido em contato com o eletrodo, além de informar a leitura do nível da água contida no tanque em caso de separação de fases. Apesar do sensor apresentado por Drack operar segundo um princípio semelhante ao sensor caracterizado nesta patente, apresentando medidas da variação de impedância de um líquido a partir de aplicação de corrente elétrica AC sobre os eletrodos, o sensor aqui apresentado possui diferenciações que trazem potenciais vantagens de uso frente ao sensor de Drack, como não ser necessário o contato direto do analito com os eletrodos, a oferta de um dispositivo portátil e a possibilidade da medida quantitativa da concentração do analito de interesse, sendo que, para o caso do etanol combustível, este sensor expressará a concentração real da água presente na mistura.[0026] Drack, in patent WO 2009089339, describes a sensor for fuel ethanol built from networked electrodes that qualitatively determines the presence of water in fuel ethanol stored in a tank. If the ethanol stored in the fuel tank contains a large amount of water, phase separation occurs and a layer of water settles at the bottom of the tank. The sensor electrodes, positioned vertically along the tank wall, measure the current or complex impedance of the liquid contained between the electrodes and associate this measurement with the analyte's intrinsic properties. The sensor identifies which liquid is in contact with the electrode, in addition to informing the reading of the water level contained in the tank in case of phase separation. Although the sensor presented by Drack operates according to a principle similar to the sensor featured in this patent, presenting measurements of the impedance variation of a liquid from the application of AC electric current on the electrodes, the sensor presented here has differentiations that bring potential advantages of use in front of the Drack sensor, as it is not necessary to have direct contact between the analyte and the electrodes, the offer of a portable device and the possibility of quantitative measurement of the concentration of the analyte of interest, being that, in the case of fuel ethanol, this sensor express the actual concentration of water present in the mixture.

[0027] Sensores expostos a misturas água/álcool, reconhecidamente corrosivas em diferentes temperaturas e concentrações de analitos, muitas vezes são destruídos pela oxidação. Desta forma, os sensores precisam ser protegidos contra corrosão para que seja garantida a integridade e desempenho dos mesmos por uma longa vida operacional. A literatura apresenta precedentes de proteção de eletrodos metálicos expostos a misturas água/álcool por encapsulamento com revestimentos poliméricos ou pela anodização de camadas de elementos metálicos condutivos aplicadas sobre os eletrodos, como a anodização por alumínio apresentada na patente US 20080299401 de Carmona Valdes.[0027] Sensors exposed to water / alcohol mixtures, known to be corrosive at different temperatures and concentrations of analytes, are often destroyed by oxidation. In this way, the sensors need to be protected against corrosion in order to guarantee their integrity and performance for a long operational life. The literature presents precedents for the protection of metal electrodes exposed to water / alcohol mixtures by encapsulation with polymeric coatings or by the anodization of layers of conductive metallic elements applied on the electrodes, such as the anodization by aluminum presented in the patent US 20080299401 of Carmona Valdes.

[0028] No entanto, o método de proteção de eletrodos metálicos interdigitados através do seu total recobrimento com óxidos inorgânicos, apresentado nesta patente, constitui uma novidade, sendo o primeiro exemplo de um conjunto que garante o total isolamento fisico entre os eletrodos e a solução a ser analisada, permitindo a exposição prolongada do sensor à mistura água/álcool e ainda assim possibilitando leituras de impedância.[0028] However, the method of protecting interdigitated metal electrodes through their full coating with inorganic oxides, presented in this patent, is a novelty, being the first example of a set that guarantees total physical isolation between the electrodes and the solution to be analyzed, allowing prolonged exposure of the sensor to the water / alcohol mixture and still allowing impedance readings.

OBJECT OF THE INVENTION

[0029] O sensor da presente invenção, para determinação da concentração de analitos em misturas líquidas, preferencialmente destinado para medir a concentração de água em soluções alcoólicas ou de álcool em soluções aquosas, é construído através de técnicas de microfabricação e de deposição de filmes finos. O referido sensor compreende um conjunto de eletrodos interdigitados arranjados em rede que são posteriormente encapsulados por nanocamadas de óxidos isolantes, através de um método controlado, de forma a compor uma espessura nanométrica ótima.[0029] The sensor of the present invention, for determining the concentration of analytes in liquid mixtures, preferably intended to measure the concentration of water in alcoholic solutions or alcohol in aqueous solutions, is constructed using microfabrication and thin film deposition techniques . This sensor comprises a set of interdigitated electrodes arranged in a network that are subsequently encapsulated by insulating oxide nanolayers, through a controlled method, in order to compose an optimal nanometric thickness.

[0030] O referido sensor é capaz de expressar a concentração do analito em função da medida da impedância combinada do sistema híbrido que é composta pela impedância da camada nanométrica de isolante associada à impedância do analito na fase líquida, conforme mencionado anteriormente. Além disso, as técnicas de microfabricação empregadas para a fabricação do dispositivo sensor da presente invenção permitem medir a concentração do analito de interesse em uma ampla faixa de trabalho em condições ambientes de temperatura, pressão e umidade e montá-lo em uma configuração fixa ou portátil, gerando praticidade além de rapidez à medição.[0030] This sensor is capable of expressing the concentration of the analyte as a function of the combined impedance measurement of the hybrid system, which is composed of the impedance of the nanometric layer of insulator associated with the impedance of the analyte in the liquid phase, as mentioned above. In addition, the microfabrication techniques employed for the manufacture of the sensor device of the present invention allow to measure the concentration of the analyte of interest in a wide working range under ambient conditions of temperature, pressure and humidity and to mount it in a fixed or portable configuration , generating practicality in addition to speed of measurement.

[0031] As técnicas permitem que o dispositivo tenha benefícios adicionais como a expansão da sua vida útil, o aumento da sua sensibilidade de detecção em condições ambientes de umidade, temperatura e pressão, a ampliação dos seus limites de detecção para uma larga faixa de trabalho e leituras com respostas mais rápidas.[0031] The techniques allow the device to have additional benefits such as the expansion of its useful life, the increase of its detection sensitivity in ambient conditions of humidity, temperature and pressure, the extension of its detection limits for a wide range of work and readings with faster responses.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0032] A presente invenção será, a seguir, detalhadamente descrita e suas modalidades preferenciais serão exemplificadas através das Figuras 1 a 7, que não estão representadas em escala.[0032] The present invention will be described in detail below and its preferred modalities will be exemplified through Figures 1 to 7, which are not represented in scale.

[0033] A Figura IA ilustra a representação esquemática de uma vista superior de um dispositivo sensor objeto da presente invenção e a Figura 1B ilustra o corte AA' do referido dispositivo sensor, onde é possível observar um exemplo de arranjo em rede dos eletrodos interdigitados e seus terminais A e B montados sobre uma placa de substrato em formato retangular, antes do processo de deposição das camadas de um. ou mais materiais isolantes;[0033] Figure IA illustrates the schematic representation of a top view of a sensor device object of the present invention and Figure 1B illustrates the section AA 'of said sensor device, where it is possible to observe an example of network arrangement of the interdigitated electrodes and its terminals A and B mounted on a substrate plate in a rectangular shape, before the deposition process of the layers of one. or more insulating materials;

[0034] A Figura 2A ilustra o mesmo corte AA' indicado na Figura 1, após a deposição de camadas isolantes sobre a rede de eletrodos interdigitados e a Figura 2B é uma vista ampliada de uma seção do corte AA';[0034] Figure 2A illustrates the same section AA 'indicated in Figure 1, after the deposition of insulating layers on the network of interdigitated electrodes and Figure 2B is an enlarged view of a section of section AA';

[0035] A Figura 3 mostra uma fotografia real da vista superior do dispositivo sensor da presente invenção, onde é possível observar a conexão das ligações elétricas aos terminais A e B;[0035] Figure 3 shows a real photograph of the top view of the sensor device of the present invention, where it is possible to observe the connection of the electrical connections to terminals A and B;

[0036] A Figura 4 ilustra uma representação esquemática de um circuito elétrico empregado para medir a concentração do analito de interesse através do dispositivo sensor apresentado na Figura 3;[0036] Figure 4 illustrates a schematic representation of an electrical circuit used to measure the concentration of the analyte of interest through the sensor device shown in Figure 3;

[0037] A Figura 5 é uma representação esquemática da operação de medida da concentração do analito de interesse, ilustrando o sensor, em uma vista em perspectiva, imerso em um recipiente que contém a mistura em fase liquida com concentração desconhecida do referido analito;[0037] Figure 5 is a schematic representation of the operation of measuring the concentration of the analyte of interest, illustrating the sensor, in a perspective view, immersed in a container that contains the mixture in liquid phase with unknown concentration of said analyte;

[0038] A Figura 6 é uma representação esquemática do corte AA' do dispositivo sensor da presente invenção, onde os eletrodos interdigitados, já recobertos pela camada isolante, estão envolvidos pela mistura em fase liquida;[0038] Figure 6 is a schematic representation of the section AA 'of the sensor device of the present invention, where the interdigitated electrodes, already covered by the insulating layer, are involved by the liquid phase mixture;

[0039] A Figura 7 mostra um gráfico da variação da tensão em função de duas faixas de concentração de álcool para diferentes soluções hidroalcoólicas.[0039] Figure 7 shows a graph of the voltage variation as a function of two alcohol concentration ranges for different hydroalcoholic solutions.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0040] 0 dispositivo sensor da presente invenção é destinado para medir a concentração de analitos em misturas líquidas, mais especificamente a concentração de álcool ou água em correntes hidroalcoólicas de processos industriais contínuos e/ou em batelada, de fermentação alcoólica de biomassa e de tratamento de efluentes residuais.[0040] The sensor device of the present invention is intended to measure the concentration of analytes in liquid mixtures, more specifically the concentration of alcohol or water in hydroalcoholic currents of continuous industrial processes and / or batch, of biomass alcoholic fermentation and treatment of residual effluents.

[0041] Este dispositivo sensor em configuração portátil se destina para usos comerciais e domésticos como o controle do teor de etanol em bebidas vendidas aos consumidores, do teor do etanol utilizado em aplicações domésticas e hospitalares e do teor do etanol durante seu armazenamento, transporte e venda pelas distribuidoras aos consumidores nos postos de combustível.[0041] This sensor device in portable configuration is intended for commercial and domestic uses such as controlling the ethanol content in beverages sold to consumers, the ethanol content used in domestic and hospital applications and the ethanol content during its storage, transportation and sale by distributors to consumers at gas stations.

[0042] Em sua configuração fixa, o presente dispositivo sensor se destina a componentes, peças e partes de diversas naturezas para aplicações comerciais e industriais, preferencialmente nas indústrias automotiva e de transportes, para monitoramento da concentração da água no etanol hidratado combustível.[0042] In its fixed configuration, the present sensor device is intended for components, parts and parts of various natures for commercial and industrial applications, preferably in the automotive and transport industries, for monitoring the concentration of water in hydrated fuel ethanol.

[0043] Conforme o dispositivo sensor ilustrado nas Figuras 1 e 2, em uma das formas preferenciais de realização desta invenção, o método de fabricação do referido dispositivo envolve as etapas de: / (i) gravação de eletrodos interdigitados através de litografia; (ii) deposição de filmes metálicos finos para definição do arranjo ótimo dos referidos eletrodos interdigitados complementares A e B (11) sobre o substrato escolhido como placa isolante (12); (iii) encapsulamento dos eletrodos (11) metálicos por camadas, em escala nanométrica, de material isolante (13) (figura 2), em que a última camada garante a funcionalidade do dispositivo.[0043] According to the sensor device illustrated in Figures 1 and 2, in one of the preferred forms of realization of this invention, the method of manufacture of said device involves the steps of: / (i) recording of interdigitated electrodes through lithography; (ii) deposition of thin metallic films to define the optimal arrangement of said complementary interdigitated electrodes A and B (11) on the substrate chosen as an insulating plate (12); (iii) encapsulation of the metallic electrodes (11) by layers, on a nanoscale, of insulating material (13) (figure 2), in which the last layer guarantees the functionality of the device.

[0044] Os eletrodos interdigitados são compostos por metal crescido por métodos galvânicos sobre um substrato constituido por material isolante (12) previamente recoberto com um filme de titânio (Ti) e um filme de ouro (Au). Este conjunto é definido como substrato.[0044] The interdigitated electrodes are composed of metal grown by galvanic methods on a substrate consisting of insulating material (12) previously covered with a titanium film (Ti) and a gold film (Au). This set is defined as a substrate.

[0045] Em formas preferenciais de realização desta invenção, o formato do substrato abrange as seguintes variações de projeto: placas circulares, placas ovais, placas hexagonais e todas as figuras geométricas que possam ser construídas a partir do material isolante, limitando-se tão somente às questões de resistência do material.[0045] In preferred embodiments of this invention, the format of the substrate encompasses the following design variations: circular plates, oval plates, hexagonal plates and all geometric figures that can be constructed from the insulating material, being limited only to issues of material strength.

[0046] Em uma forma ainda mais preferencial de realização desta invenção, o substrato é construido no formato de placa retangular.[0046] In an even more preferred embodiment of this invention, the substrate is constructed in the shape of a rectangular plate.

[0047] Nas formas preferenciais de realização desta invenção, o material constituinte da placa pode ser selecionado de um grupo de compostos isolantes que inclui vidro, silicio, óxido de silício, alumina ou matrizes poliméricas tais como poliamidas e polipropilenos.[0047] In the preferred embodiments of this invention, the material constituting the plate can be selected from a group of insulating compounds including glass, silicon, silicon oxide, alumina or polymeric matrices such as polyamides and polypropylenes.

[0048] Na forma preferencial de realização desta invenção, adota.-se uma relação de espessuras entre os filmes finos de Ti/Au depositados sobre a placa igual a 1:6, selecionada dentre outras proporções de trabalho comumente usadas no estado da arte.[0048] In the preferred embodiment of this invention, a thickness ratio between the thin films of Ti / Au deposited on the plate equal to 1: 6 is adopted, selected among other proportions of work commonly used in the state of the art.

[0049] Na forma preferencial de realização desta invenção, a espessura dos filmes finos de Ti e de Au se situa entre 1 e 150 nm.[0049] In the preferred embodiment of this invention, the thickness of the thin films of Ti and Au is between 1 and 150 nm.

[0050] Na forma preferencial de realização desta invenção, os filmes de Ti/Au poderão ser depositados sobre o substrato utilizando diferentes métodos de deposição conhecidos pelos que dominam o estado da arte, incluindo as técnicas de "sputtering" /pulverização catódica/ , ALD ou "atomic layer deposition" (deposição de camada atômica), CVD ou "chemical vapor deposition" (deposição por vapor químico), "e-beam deposition" (deposição por feixe de elétrons de alta energia) ou evaporação térmica.[0050] In the preferred embodiment of this invention, Ti / Au films can be deposited on the substrate using different deposition methods known to those who master the state of the art, including "sputtering" / sputtering techniques /, ALD or "atomic layer deposition", CVD or "chemical vapor deposition", "e-beam deposition" (high energy electron beam deposition) or thermal evaporation.

[0051] Em uma das formas preferenciais de realização desta invenção, a ordem de deposição dos filmes sobre o substrato é primeiramente o Ti e posteriormente o Au.[0051] In one of the preferred embodiments of this invention, the order of deposition of the films on the substrate is first Ti and then Au.

[0052] Para a obtenção do molde utilizado para a eletrodeposição do metal, foi utilizado um processo de litografia por UV, baseado em um fotorresiste. O processo de litografia por UV utilizado para obtenção do molde em fotorresiste compreende as seguintes etapas:[0052] To obtain the mold used for the electrodeposition of the metal, a UV lithography process was used, based on a photoresist. The UV lithography process used to obtain the photoresist mold comprises the following steps:

[0053] Primeiramente o substrato é aquecido a 120°C em chapa térmica para a remoção de moléculas de água de sua superfície (desidratação). Em seguida, o substrato é resfriado até temperatura ambiente.[0053] First, the substrate is heated to 120 ° C in a thermal plate to remove water molecules from its surface (dehydration). Then, the substrate is cooled to room temperature.

[0054] Na forma preferencial de realização desta invenção, o substrato permanece a 120°C por 1 a 20 minutos.[0054] In the preferred embodiment of this invention, the substrate remains at 120 ° C for 1 to 20 minutes.

[0055] Na sequência é aplicada a camada do promotor de aderência sobre o substrato, para que seja otimizada a aderência do fotorresiste ao substrato.[0055] In the sequence, the layer of the adhesion promoter is applied on the substrate, so that the adhesion of the photoresist to the substrate is optimized.

[0056] Na forma preferencial de realização desta invenção, o promotor de aderência é o hexametildisilasano (HMDS). O referido promotor de aderência é aplicado sobre o substrato através da técnica de "spin coating" (cobertura através de espalhamento rotacional) cujos parâmetros de rotação e de tempo de aplicação são amplamente conhecidos pelos que dominam o estado da arte.[0056] In the preferred embodiment of this invention, the adhesion promoter is hexamethyldisilasane (HMDS). The said adhesion promoter is applied on the substrate through the technique of "spin coating" (covering through rotational spreading) whose parameters of rotation and application time are widely known by those who master the state of the art.

[0057] Uma vez recoberto com o promotor de aderência, preferencialmente HMDS, o substrato é aquecido em chapa quente a 95 °C por 5 minutos e em seguida deixado resfriar até temperatura ambiente. Concluída esta etapa, o substrato está pronto para receber a camada de fotorresiste. Para obter uma camada uniforme e com bordas reduzidas, o spin coating do fotorresiste sobre o substrato é realizado em duas etapas.[0057] Once coated with the adhesion promoter, preferably HMDS, the substrate is heated on a hot plate at 95 ° C for 5 minutes and then allowed to cool to room temperature. After this stage, the substrate is ready to receive the photoresist layer. To obtain a uniform layer with reduced edges, the photoresist spin coating on the substrate is carried out in two stages.

[0058] Na forma preferencial de realização desta invenção, o fotorresiste poderá ser selecionado a partir do grupo de fotorresistes positivos para deposição por "spin-coating" disponíveis no mercado, incluindo os fotorresistes AZ4620 e AZ50XT da Clariant/AZ;[0058] In the preferred embodiment of this invention, the photoresist can be selected from the group of positive photoresists for deposition by "spin-coating" available on the market, including the photoresists AZ4620 and AZ50XT from Clariant / AZ;

[0059] Na forma preferencial de realização desta invenção, a velocidade de rotação da amostra no spinner na primeira etapa de aplicação varia entre 1000 e 3000 rpm; o tempo de atuação do spinner na primeira etapa de aplicação varia entre 10 e 60 segundos; a velocidade de rotação do spinner na segunda etapa de aplicação varia entre 1000 e 3000 rpm; e o tempo de atuação do spinner na segunda etapa de aplicação varia entre 1 e 10 segundos;[0059] In the preferred embodiment of this invention, the speed of rotation of the sample in the spinner in the first application stage varies between 1000 and 3000 rpm; the time for the spinner to act in the first application stage varies between 10 and 60 seconds; the speed of rotation of the spinner in the second application stage varies between 1000 and 3000 rpm; and the time for the spinner to act in the second application stage varies between 1 and 10 seconds;

[0060] Ainda na forma preferencial de realização desta invenção, a espessura da camada do fotorresiste, após finalização da primeira e da segunda etapa de aplicação varia entre 20 e 200 μm.[0060] Still in the preferred embodiment of this invention, the thickness of the photoresist layer, after completion of the first and second application stages, varies between 20 and 200 μm.

[0061] Após a cobertura da lâmina com fotoresiste, a mesma é mantida em repouso sobre uma superfície plana para melhorar a planicidade da camada espalhada. Em seguida o substrato é aquecido em chapa quente a 115°C ("pré-bake") para secagem do fotorresiste. Para evitar o aparecimento de bolhas no fotorresiste, é evitado o contato direto entre o substrato e a chapa quente. O substrato é mantido por um minuto entre 1 e 5 mm da chapa quente e por mais um minuto entre 0,5 e 2 mm da chapa quente. O substrato é colocado em contato direto com a chapa quente a 115°C por mais 6 minutos. Na sequência, o substrato é resfriado até a temperatura ambiente dentro de uma caixa com isolamento térmico.[0061] After covering the slide with photoresist, it is kept at rest on a flat surface to improve the flatness of the spread layer. Then the substrate is heated on a hot plate to 115 ° C ("pre-bake") to dry the photoresist. To avoid the appearance of bubbles in the photoresist, direct contact between the substrate and the hot plate is avoided. The substrate is kept for one minute between 1 and 5 mm from the hot plate and for another minute between 0.5 and 2 mm from the hot plate. The substrate is placed in direct contact with the hot plate at 115 ° C for another 6 minutes. Subsequently, the substrate is cooled to room temperature in a thermally insulated box.

[0062] Terminadas as etapas de espalhamento do fotorresiste e do processo de "pré-bake", o substrato é submetido ao processo de gravação dos padrões litográficos para os eletrodos interdigitados. 0 design das estruturas foi efetuado com o auxilio do software comercial AutoCAD® 2D. 0 padrão desejado para os eletrodos interdigitados é gravado por escrita direta a laser sobre uma placa de vidro (soda lime') metalizada com cromo. Alternativamente, um fotolito gravado sobre uma folha de acetato foi utilizado.[0062] After the spreading stages of the photoresist and the "pre-bake" process are finished, the substrate is subjected to the process of recording the lithographic patterns for the interdigitated electrodes. The design of the structures was carried out with the aid of the commercial software AutoCAD® 2D. The desired pattern for interdigitated electrodes is engraved by direct laser writing on a glass plate (soda lime ') metallized with chromium. Alternatively, a photolith engraved on an acetate sheet was used.

[0063] A etapa de fotogravação é realizada utilizando-se uma alinhadora de máscaras Karl Suss modelo MJB 3 dispondo de uma fonte de luz ultravioleta (UV) com uma potência de 9,5 mW cm’2 em comprimento de onda de 365 nm para sensibilizar a camada de fotorresiste.[0063] The photogravure step is performed using a Karl Suss mask aligner model MJB 3 with an ultraviolet (UV) light source with a power of 9.5 mW cm'2 at a wavelength of 365 nm for sensitize the photoresist layer.

[0064] O substrato com a camada de fotorresiste é montado sob a máscara, alinhado e em seguida exposto à radiação UV entre 30 a 600 segundos ou por uma combinação de tempo versus potência que garanta a completa exposição da camada de fotorresiste para sua posterior revelação. Tempos de exposição ao UV excessivamente longos ou excessivamente curtos podem dificultar e até impedir a completa revelação do molde, principalmente nas estruturas de menor dimensão. Uma vez exposto, o padrão gravado no fotorresiste é revelado.[0064] The substrate with the photoresist layer is mounted under the mask, aligned and then exposed to UV radiation between 30 to 600 seconds or for a combination of time versus power that guarantees the complete exposure of the photoresist layer for later development . Excessively long or excessively short UV exposure times can hinder and even prevent the complete development of the mold, especially in smaller structures. Once exposed, the pattern recorded on the photoresist is revealed.

[0065] Em outras formas de realização desta invenção, para remoção do fotorresiste poderá ser selecionado um revelador entre um grupo de produtos comerciais disponíveis no mercado semelhantes ao AZ 400K da Clariant;[0065] In other embodiments of this invention, to remove the photoresist a developer can be selected from a group of commercial products available on the market similar to Clariant's AZ 400K;

[0066] Em outras formas de realização desta invenção, o revelador poderá ser diluido em outras proporções, além da proporção preferencial de 1:3 v/v em água;[0066] In other embodiments of this invention, the developer may be diluted in other proportions, in addition to the preferred ratio of 1: 3 v / v in water;

[0067] Em outras formas de realização desta invenção, a ,etapa de revelação poderá ser realizada submetendo o substrato à ação do revelador a outros intervalos de tempo diferentes do intervalo preferencial, que é de 1 a 10 minutos sob leve agitação.[0067] In other embodiments of this invention, the development stage may be carried out by subjecting the substrate to the action of the developer at other intervals of time other than the preferred interval, which is 1 to 10 minutes under slight agitation.

[0068] O progresso da revelação é acompanhado em microscópio óptico, observando-se em especial as 'maiores áreas abertas e as bordas do fotorresiste removido. A espessura final do molde de fotorresiste é medida por perfilometria e depende principalmente da espessura da camada depositada por "spin coating", do processo de "bake" e das condições de revelação.[0068] The progress of the development is monitored under an optical microscope, observing in particular the 'largest open areas and the edges of the photoresist removed. The final thickness of the photoresist mold is measured by profiling and depends mainly on the thickness of the layer deposited by "spin coating", the process of "bake" and the development conditions.

[0069] Concluída a etapa de revelação, o substrato é lavado em água deionizada (Dl) e secado sob atmosfera de nitrogênio.[0069] After the development stage, the substrate is washed in deionized water (Dl) and dried under a nitrogen atmosphere.

[0070] Em uma das formas preferenciais de realização desta invenção, uma etapa adicional de cura (post-bake) é necessária para se garantir a remoção total do solvente do molde. O substrato com o molde gravado é colocado sobre uma chapa quente entre 40 a 90 °C por 1 hora. Em seguida a temperatura é elevada progressivamente a 95°C em um intervalo que poderá variar entre 5 a 60 min. Uma vez estabilizado a 95°C, o substrato é mantido nesta temperatura por 1 hora. O processo discreto de subida da temperatura evita a formação de bolhas (perda abrupta de solvente) sobre a superfície do fotorresiste.[0070] In one of the preferred embodiments of this invention, an additional curing step (post-bake) is necessary to ensure total removal of the solvent from the mold. The substrate with the engraved mold is placed on a hot plate at 40 to 90 ° C for 1 hour. Then the temperature is gradually increased to 95 ° C in an interval that can vary between 5 to 60 min. Once stabilized at 95 ° C, the substrate is kept at this temperature for 1 hour. The discreet temperature rise process prevents the formation of bubbles (abrupt loss of solvent) on the surface of the photoresist.

[0071] Após uma minuciosa inspeção por meio de microscopia óptica ou outra técnica de caracterização por imagem, o substrato com o molde gravado está pronto para envio à eletrodeposição dos eletrodos.[0071] After a thorough inspection using optical microscopy or another image characterization technique, the substrate with the engraved mold is ready to be sent to the electrodeposition of the electrodes.

[0072] Nas formas preferenciais de realização desta invenção, o metal constituinte dos eletrodos poderá ser selecionado de um grupo de metais condutores que inclui o niquel, o cromo, a platina ou o titânio.[0072] In the preferred embodiments of this invention, the constituent metal of the electrodes may be selected from a group of conductive metals that includes nickel, chromium, platinum or titanium.

[0073] O crescimento do filme espesso do metal sobre o substrato é realizado por meio de um banho galvânico. Durante o crescimento, o banho é mantido a 60°C sob constante agitação mecânica e filtração para remoção de impurezas. Os valores de corrente utilizados dependem da área metalizada exposta. Quanto maior a área metalizada exposta à solução, maior a corrente empregada. O valor da corrente deve ser controlado até o limite da densidade de corrente ideal para cada tipo de banho galvânico.[0073] The growth of the thick metal film on the substrate is carried out by means of a galvanic bath. During growth, the bath is maintained at 60 ° C under constant mechanical agitation and filtration to remove impurities. The current values used depend on the exposed metallized area. The greater the metallized area exposed to the solution, the greater the current employed. The current value must be controlled up to the limit of the ideal current density for each type of galvanic bath.

[0074] Em estruturas com alta razão de aspecto, a tensão superficial no interior das mesmas fica comprometida e se faz necessário um tratamento do substrato com um detergente de pH neutro antes do processo de crescimento dos eletrodos. Para o crescimento da estrutura interdigitada, o substrato com o molde é imerso no banho e polarizado conectando-se a referida estrutura ao terminal negativo (cátodo) da fonte de corrente. O terminal positivo, por sua vez, é conectado ao eletrodo de niquel (ânodo) . Uma vez montado o circuito elétrico, o substrato é mantido em movimento dentro do banho, o que garante a melhor uniformidade das estruturas.[0074] In structures with a high aspect ratio, the surface tension inside them is compromised and it is necessary to treat the substrate with a neutral pH detergent before the electrode growth process. For the growth of the interdigitated structure, the substrate with the mold is immersed in the bath and polarized by connecting said structure to the negative terminal (cathode) of the current source. The positive terminal, in turn, is connected to the nickel electrode (anode). Once the electrical circuit is assembled, the substrate is kept in motion inside the bath, which guarantees the best uniformity of the structures.

[0075] Durante o processo de crescimento, são efetuadas interrupções do processo para a inspeção do desenvolvimento das estruturas, que é feita por medidas óticas, e para a verificação da espessura de metal crescida na região dos eletrodos interdigitados, que é feita por perfilometria.[0075] During the growth process, the process is interrupted to inspect the development of the structures, which is done by optical measurements, and to verify the thickness of the metal grown in the region of the interdigitated electrodes, which is done by profilometry.

[0076] O processo de crescimento eletrolitico do metal se inicia com baixos valores de corrente para permitir o recobrimento inicial de toda a área dos eletrodos interdigitais. Em seguida a corrente é elevada lentamente até uma amperagem ótima e mantida nesta amperagem durante um determinado tempo de crescimento, que é selecionado a partir da geometria do molde e da intensidade de corrente aplicada, entre outros critérios de escolha conhecidos pelos que dominam o estado da técnica.[0076] The process of electrolytic growth of the metal starts with low current values to allow the initial covering of the entire area of the interdigital electrodes. Then the current is slowly raised to an optimum amperage and maintained at this amperage for a given growth time, which is selected from the mold geometry and the applied current intensity, among other selection criteria known to those who dominate the state of the technical.

[0077] Na forma preferencial de realização desta invenção, o intervalo de corrente aplicado sobre o substrato varia entre 10 e 150 mA;[0077] In the preferred embodiment of this invention, the current range applied on the substrate varies between 10 and 150 mA;

[0078] O processo de eletrodeposição é finalizado assim que é obtida a espessura minima desejada, verificada através de perfilometria.[0078] The electrodeposition process is finished as soon as the desired minimum thickness is obtained, verified through profilometry.

[0079] Nas formas preferenciais de realização desta invenção, a espessura dos eletrodos metálicos produzidos através da eletrodeposição poderá variar entre 5 e 60 μm.[0079] In the preferred embodiments of this invention, the thickness of the metallic electrodes produced through the electrodeposition can vary between 5 and 60 μm.

[0080] A seguir, o molde de fotorresiste é removido com acetona e a última fase consiste na remoção da camada semente de Ti e Au. A camada de Au é removida por uma solução à base de KCN. A camada de Ti é removida por uma solução à base de HE. Finalmente o eletrodo interdigital é lavado em água Dl e é seco por um fluxo continuo de nitrogênio.[0080] Next, the photoresist mold is removed with acetone and the last phase consists of removing the seed layer of Ti and Au. The Au layer is removed by a KCN-based solution. The Ti layer is removed by a HE-based solution. Finally, the interdigital electrode is washed in DI water and dried by a continuous flow of nitrogen.

[0081] Após a remoção da camada semente, é feito um teste de continuidade elétrica entre os dois segmentos do eletrodo interdigitado para garantir que não haja curto- circuito entre eles.[0081] After removing the seed layer, an electrical continuity test is carried out between the two segments of the interdigitated electrode to ensure that there is no short circuit between them.

[0082] Quando este teste é concluido, as estruturas seguem para a verificação ótica, onde as dimensões das estruturas crescidas são comparadas com as do molde. São toleradas diferenças de até 5% entre as dimensões do molde e das estruturas. 0 controle dimensional inclui também a verificação de espessura da estrutura do metal crescido sobre a placa isolante, que pode diferir em algumas regiões da rede em função da geometria e desenho projetado para o arranjo. A figura 3 ilustra uma das formas preferenciais da invenção apontando regiões que são submetidas à verificação de espessura. Em regiões de maior área de cobertura a espessura é menor (a') devido à menor densidade de corrente. Em regiões de áreas semelhantes (b' e d' ) a espessura se equivale. A espessura normalmente é minima nos eletrodos centrais (e' ) e tende a ter valor máximo nos eletrodos próximos às extremidades da placa devido ao aumento do campo elétrico (c' e f' ) .[0082] When this test is completed, the structures go for optical verification, where the dimensions of the grown structures are compared with those of the mold. Differences of up to 5% between the dimensions of the mold and the structures are tolerated. The dimensional control also includes checking the thickness of the structure of the metal grown on the insulating plate, which may differ in some regions of the network depending on the geometry and design designed for the arrangement. Figure 3 illustrates one of the preferred forms of the invention, pointing out regions that are subjected to thickness verification. In regions with a larger coverage area, the thickness is less (a ') due to the lower current density. In regions of similar areas (b 'and d') the thickness is equivalent. The thickness is usually minimal in the central electrodes (e ') and tends to have a maximum value in the electrodes near the ends of the plate due to the increase in the electric field (c' and f ').

[0083] A estrutura com os eletrodos interdigitados (Figura 1) é limpa por exposição a plasma de oxigênio por 3 minutos a 100 W. A seguir, a estrutura é mantida a vácuo por 30 minutos a 150°C para remoção da umidade presente na superfície da placa.[0083] The structure with interdigitated electrodes (Figure 1) is cleaned by exposure to oxygen plasma for 3 minutes at 100 W. Then, the structure is kept under vacuum for 30 minutes at 150 ° C to remove the moisture present in the plate surface.

[0084] Em uma das formas preferenciais de realização desta invenção, a deposição da camada isolante é feita através do processo de ALD (também conhecido como atomic layer deposition). 0 processo de deposição começa com a aplicação, sobre a estrutura limpa e seca, de um pulso de 15 ms do precursor trimetilaluminio (TMA) sob um fluxo de nitrogênio de 5 scan e sob pressão dentro da câmara de reação do sistema. Após este pulso, o fluxo de nitrogênio é mantido por 20 s antes que um pulso de 15 ms de vapor de água seja injetado na câmara. Após o pulso de vapor de água, a atmosfera na câmara é novamente mantida sob um fluxo de 5 seem de nitrogênio por 20 s. Este conjunto de dois pulsos e duas pausas de 20 s é definido como um ciclo.[0084] In one of the preferred embodiments of this invention, the deposition of the insulating layer is done through the ALD process (also known as atomic layer deposition). The deposition process begins with the application, on the clean and dry structure, of a 15 ms pulse of the trimethyl aluminum precursor (TMA) under a 5 scan nitrogen flow and under pressure inside the system's reaction chamber. After this pulse, the nitrogen flow is maintained for 20 s before a pulse of 15 ms of water vapor is injected into the chamber. After the pulse of water vapor, the atmosphere in the chamber is again maintained under a flow of 5 seeming nitrogen for 20 s. This set of two pulses and two 20 s pauses is defined as a cycle.

[0085] Após vários ciclos, os eletrodos interdigitados (11) são encapsulados através do seu recobrimento por uma ou mais camadas em escala nanométrica do material isolante conformacional (13), criando uma barreira fisica entre a solução analisada e os eletrodos metálicos.[0085] After several cycles, the interdigitated electrodes (11) are encapsulated by covering them with one or more nanometric scale layers of the conformational insulating material (13), creating a physical barrier between the analyzed solution and the metal electrodes.

[0086] Em uma das formas preferenciais de realização desta invenção, o material isolante sobre os eletrodos é o óxido de aluminio (A12O3);[0086] In one of the preferred embodiments of this invention, the insulating material on the electrodes is aluminum oxide (A12O3);

[0087] Em uma das formas preferenciais dessa invenção, o material isolante sobre os eletrodos é um óxido metálico nativo ou crescido a partir do eletrodo metálico;[0087] In one of the preferred forms of this invention, the insulating material on the electrodes is a metal oxide native or grown from the metal electrode;

[0088] Nas formas preferenciais dessa invenção, o material isolante cresce como um óxido metálico nativo sobre os eletrodos ou é depositado sobre os eletrodos através de um método de deposição de óxidos por camada atômica (conhecido por ALD ou atomic layer deposition) ou através de um método de deposição de óxidos por pulverização (conhecido por sputtering) ou através de um método de deposição quimica de óxidos em fase vapor (conhecido por CVD ou chemical vapor deposition) ou através de um método de deposição de óxidos por evaporação térmica ou através de um processamento de feixe de elétrons de alta energia que deposita o óxido de interesse por irradiação (conhecido por e-beam) ou através de outros métodos fisicos e químicos de deposição de óxidos reconhecidos como métodos de encapsulamento de eletrodos normalmente empregados dentro do estado da técnica;[0088] In the preferred forms of this invention, the insulating material grows like a native metal oxide on the electrodes or is deposited on the electrodes through an atomic layer deposition method (known as ALD or atomic layer deposition) or through a method of depositing oxides by spraying (known as sputtering) or by using a chemical vapor deposition method (known as CVD or chemical vapor deposition) or by using a method of depositing oxides by thermal evaporation or by means of a high-energy electron beam processing that deposits the oxide of interest by irradiation (known as e-beam) or through other physical and chemical oxide deposition methods recognized as electrode encapsulation methods normally employed within the state of the art ;

[0089] Na forma preferencial dessa invenção, o número de camadas ótimo é aquele necessário para isolar completamente os eletrodos do meio liquido a ser analisado;[0089] In the preferred form of this invention, the optimal number of layers is that necessary to completely isolate the electrodes from the liquid medium to be analyzed;

[0090] Nas formas preferenciais dessa invenção, o número de ciclos necessário para recobrimento total dos eletrodos interdigitados poderá variar entre 20 e 70;[0090] In the preferred forms of this invention, the number of cycles required for full coverage of the interdigitated electrodes may vary between 20 and 70;

[0091] Na forma preferencial dessa invenção, a espessura total da camada de recobrimento dos eletrodos interdigitados pode estar entre 1 e 100 nm.[0091] In the preferred form of this invention, the total thickness of the covering layer of the interdigitated electrodes can be between 1 and 100 nm.

[0092] Assim que a cobertura dos eletrodos é concluida, o substrato ê deixado para resfriar até a temperatura ambiente. Finalmente, as conexões elétricas são feitas soldando-se fios aos "pads" do sensor (15).[0092] As soon as the electrode coverage is completed, the substrate is left to cool to room temperature. Finally, electrical connections are made by welding wires to the sensor pads (15).

PROCESS FOR CHARACTERIZATION OF THE DEVICE AND EXAMPLE OF APPLICATION.

[0093] A caracterização do dispositivo é feita usando o esquema elétrico indicado na Figura 4. Um sinal de corrente alternada com amplitude e frequência conhecidas é aplicado entre os terminais A e C indicados. A resposta do sensor se dá através da medida da queda de tensão alternada sobre os terminais A e B ilustrados nas Figuras 1, 4 e 5. A tensão de resposta obtida do sensor é diretamente proporcional à impedância total do elemento (Zs = Vm/Iac) , que por sua vez está relacionada com o efeito conjugado da espessura e composição da camada de material isolante (13) que recobre os eletrodos interdigitados (11) com a mistura álcool/água (14) onde o sensor é imerso. Uma vez imerso, os espaçamentos existentes entre os eletrodos recobertos pela camada isolante são preenchidos pela mistura em fase liquida (14) a ser analisada.[0093] The characterization of the device is made using the electrical scheme indicated in Figure 4. An alternating current signal with known amplitude and frequency is applied between the indicated terminals A and C. The sensor response occurs by measuring the alternating voltage drop across terminals A and B illustrated in Figures 1, 4 and 5. The response voltage obtained from the sensor is directly proportional to the total element impedance (Zs = Vm / Iac ), which in turn is related to the combined effect of the thickness and composition of the insulating material layer (13) that covers the interdigitated electrodes (11) with the alcohol / water mixture (14) where the sensor is immersed. Once immersed, the spacing between the electrodes covered by the insulating layer is filled by the liquid phase mixture (14) to be analyzed.

[0Q94] Para a detecção da concentração do analito desejado na mistura álcool/água, o sensor é primeiramente calibrado utilizando uma ou mais soluções do analito preparadas com concentrações conhecidas.[0Q94] For the detection of the desired analyte concentration in the alcohol / water mixture, the sensor is first calibrated using one or more analyte solutions prepared with known concentrations.

[0095] Nas formas preferenciais de realização desta invenção, os analitos passíveis de detecção por este sensor em soluções aquosas são alcoóis de cadeias curtas, com destaque para etanol e metanol;[0095] In the preferred embodiments of this invention, the analytes detectable by this sensor in aqueous solutions are short-chain alcohols, with emphasis on ethanol and methanol;

[0096] Na forma preferencial de realização desta invenção, a calibração é efetuada através da construção de curvas de calibração ΔVs (mV) vs. C (%) a partir das leituras de impedância efetuadas pelo sensor para pelo menos 5 soluções de concentrações conhecidas do analito de interesse.[0096] In the preferred embodiment of this invention, calibration is performed by constructing calibration curves ΔVs (mV) vs. C (%) from the impedance readings made by the sensor for at least 5 solutions of known concentrations of the analyte of interest.

[0097] O exemplo de determinação da concentração de etanol em uma mistura álcool/água apresentado a seguir é dado apenas como forma ilustrativa, não limita o escopo da presente invenção e não deve ser considerado como sua forma preferencial de invenção.[0097] The example of determining the concentration of ethanol in an alcohol / water mixture presented below is given for illustrative purposes only, does not limit the scope of the present invention and should not be considered as your preferred form of invention.

[0098] Foi construído um sensor a partir de uma rede de eletrodos interdigitados formados pela eletrodeposição de níquel sobre uma placa de alumina, revestidos por óxido de alumínio com uma espessura total de camada de 45 nm.[0098] A sensor was built from a network of interdigitated electrodes formed by electrodeposition of nickel on an alumina plate, coated with aluminum oxide with a total layer thickness of 45 nm.

[0099] A Figura 7 mostra curvas do sinal de saída do sensor normalizado (ΔVS = Vm - Vo%, onde Vm é o valor medido e VQ% a tensão para 100% de água) como função da concentração de etanol em água (G) em v/v%. Neste exemplo foram utilizadas soluções preparadas a partir da mistura de água comum de torneira (pH 7,0), com etanol absoluto (Merck, grau analítico). As curvas da Figura 7 evidenciam a existência de duas faixas de operação lineares: faixa I, para concentrações de etanol entre 60% e 100%, e faixa II, para concentrações de etanol entre 0% e 60%. De acordo com o ajuste linear das curvas nas faixas I e II, a concentração de etanol em uma mistura água/álcool de volume arbitrário e concentração desconhecida poderá ser calculada por meio das seguintes equações: Faixa I: ΔVi = α + /?Ci, onde CT é a concentração de álcool em água na faixa de operação I. Faixa II: = y 4- ÕCI{ , onde Cu é a concentração de álcool em água na faixa de operação II.[0099] Figure 7 shows the output signal curves of the normalized sensor (ΔVS = Vm - Vo%, where Vm is the measured value and VQ% the voltage for 100% water) as a function of the concentration of ethanol in water (G ) in v / v%. In this example, solutions prepared from a mixture of ordinary tap water (pH 7.0) with absolute ethanol (Merck, analytical grade) were used. The curves in Figure 7 show the existence of two linear operating ranges: range I, for concentrations of ethanol between 60% and 100%, and range II, for concentrations of ethanol between 0% and 60%. According to the linear adjustment of the curves in bands I and II, the concentration of ethanol in a water / alcohol mixture of arbitrary volume and unknown concentration can be calculated using the following equations: Range I: ΔVi = α + /? Ci, where CT is the concentration of alcohol in water in the operating range I. Range II: = y 4- ÕCI {, where Cu is the concentration of alcohol in water in the operating range II.

[00100] Os valores obtidos a partir do ajuste linear nas faixas I e II estão na Tabela 1, abaixo. Tabela 1

[00100] The values obtained from the linear adjustment in bands I and II are in Table 1, below. Table 1

[00101] A Figura 5 ilustra uma montagem simples do sensor em forma portátil que foi usada tanto para o levantamento da curva de calibração como para a determinação da concentração de etanol em misturas etanol/água de volumes arbitrários. As amostras da mistura álcool/água cujas concentrações foram determinadas foram retiradas de um vasilhame de álcool para uso doméstico, de uma garrafa de aguardente de cana vendida diretamente ao consumidor e de uma bomba de um posto de combustível, e foram transferidas para recipientes limpos. O dispositivo sensor contendo o arranjo dos eletrodos interdigitados foi imerso em cada amostra de etanol/água a condições ambientes de temperatura, umidade e pressão. A leitura da impedância foi imediata após imersão do sensor na mistura.[00101] Figure 5 illustrates a simple assembly of the sensor in portable form that was used both for lifting the calibration curve and for determining the concentration of ethanol in ethanol / water mixtures of arbitrary volumes. Samples of the alcohol / water mixture whose concentrations were determined were taken from an alcohol canister for domestic use, from a bottle of cane brandy sold directly to the consumer and from a pump at a fuel station, and were transferred to clean containers. The sensor device containing the arrangement of interdigitated electrodes was immersed in each sample of ethanol / water at ambient conditions of temperature, humidity and pressure. The impedance reading was immediate after the sensor was immersed in the mixture.

[00102] A Tabela 02 mostra valores de concentração de etanol para estas amostras, obtidos pelo sensor (G) . Estes resultados são comparados na mesma Tabela com as concentrações nominais de etanol informadas pelos fornecedores (Gn) obtidas empregando diferentes métodos. A concentração de etanol nos combustíveis, rigorosamente controlada pela ANP, é medida pelos fabricantes através de métodos potenciométricos. As concentrações de etanol no álcool de uso doméstico e na aguardente, ambas em °INPM, são medidas pelos fabricantes através de densímetro (ABNT NBR 5992) . Considerando que os resultados obtidos pelos fabricantes podem apresentar imprecisões em função das limitações intrínsecas de cada método empregado, destaca-se que as leituras de concentração obtidas pelo sensor são bastante próximas dos valores nominais, indicando boa reprodutibilidade do sensor nas faixas de trabalho, especialmente na faixa I. Tabela 2: Concentração de etanol obtida pelo sensor (G) para 8 amostras

[00102] Table 02 shows values of ethanol concentration for these samples, obtained by the sensor (G). These results are compared in the same Table with the nominal concentrations of ethanol informed by the suppliers (Gn) obtained using different methods. The concentration of ethanol in fuels, strictly controlled by the ANP, is measured by manufacturers using potentiometric methods. Ethanol concentrations in household alcohol and spirits, both in ° INPM, are measured by manufacturers using a densimeter (ABNT NBR 5992). Considering that the results obtained by the manufacturers may present inaccuracies due to the intrinsic limitations of each method employed, it is highlighted that the concentration readings obtained by the sensor are very close to the nominal values, indicating good reproducibility of the sensor in the working ranges, especially in the range I. Table 2: Ethanol concentration obtained by the sensor (G) for 8 samples

[00103] Muito embora modalidades particulares da invenção presente tenham sido mostradas e descritas neste exemplo, várias combinações e mudanças podem ser feitas no dispositivo sensor para satisfazer necessidades especificas sem se afastar da invenção nos seus aspectos originais mais amplos.[00103] Although particular embodiments of the present invention have been shown and described in this example, various combinations and changes can be made to the sensor device to satisfy specific needs without departing from the invention in its broader original aspects.

[00104] Deve-se compreender que as modalidades descritas acima são meramente ilustrativas e que qualquer modificação ao longo delas pode ocorrer para um técnico no assunto. Por conseguinte, a invenção em comento não deve ser considerada limitada quanto às modalidades descritas neste pedido.[00104] It should be understood that the modalities described above are merely illustrative and that any modification along them can occur for a technician in the subject. Therefore, the invention under review should not be considered limited as to the modalities described in this application.

[00105] O técnico no assunto saberá prontamente avaliar, por meio dos ensinamentos contidos no texto e nos exemplos apresentados, vantagens da invenção e propor variações e alternativas equivalentes de realização e substratos aplicados, no entanto, sem fugir ao escopo da invenção.[00105] The technician in the subject will be able to readily evaluate, through the teachings contained in the text and in the examples presented, advantages of the invention and to propose variations and equivalent alternatives of realization and applied substrates, however, without departing from the scope of the invention.

Claims

1. Sensor device for determining the concentration of an analyte in mixtures in liquid phase, more specifically concentration of water and / or alcohol, characterized by comprising a network of interdigitated electrodes (11), which are composed of metal grown by galvanic methods on a substrate plate of insulating material (12) previously covered by a titanium film and a gold film, encapsulated by one or more layers of one or more insulating materials (13) on a nanoscale that promote physical separation between the electrodes and the external environment, in which the said device expresses the concentration of the analyte based on the calculation of the combined impedance measurement, composed of the impedance of the nanometric layers of the insulating material (13) associated with the impedance of the analyte in the liquid phase mixture (14).

2. Sensor device, according to claim 1, characterized by the fact that said analyte is water or a short-chain alcohol, preferably ethanol or methanol.

3. Sensor device, according to claim 1, characterized by the fact that the interdigitated electrodes (11) are composed of metals, such as nickel, chromium, platinum and titanium.

4. Sensor device according to claim 1, characterized in that said substrate (12) is composed of or manufactured from an insulating material such as glass, silicon, silicon oxide, alumina or polymeric matrices such as polyamides and polypropylenes.

5. Sensor device, according to claim 1, characterized by the fact that said substrate plate has a circular, oval, hexagonal shape or any other geometric shape that can be constructed from its insulating constituent material, being limited only to the resistance issues of the chosen material.

6. Sensor device, according to claim 1 or 5, characterized by the fact that said substrate plate preferably has a rectangular shape.

7. Sensor device, according to claim 1, characterized by the fact that it does not allow direct contact of said network of interdigitated electrodes (11) with said mixture in liquid phase (14).

8. Sensor device, according to claim 1, characterized by the fact that it is built from techniques of micro-fabrication of devices and deposition of thin films constituting a microelectromechanical system known as MEMS or micro electro mechanical system.

Sensor device according to any one of claims 1 to 8, characterized by the fact that it operates with alternating current.

10. Sensor device according to any one of claims 1 to 9, characterized by the fact that it can be used in alcoholic currents from industrial processes, in fuel ethanol or in alcohol for domestic use, for the determination of the water concentration in ranges of 0 to 100% by mass, in a practical and fast way.

11. Sensor device according to any one of claims 1 to 9, characterized by the fact that it can be applied in aqueous currents from industrial processes, in aqueous effluent currents, in beverages, in fuel ethanol or in alcohol for domestic use. determination of the concentration of an alcohol in ranges from 0 to 100% by mass, in a practical and quick way.

Sensor device according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it is configured and assembled as a fixed device to be installed in parts, pieces and equipment of interest.

13. Sensor device according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it is configured and assembled as a portable device.

14. Method of manufacture of the sensor device of claim 1, characterized by the fact that it comprises the steps of: (i) recording of interdigitated electrodes (11) using lithography techniques; (ii) deposition of thin metallic films to define the optimal arrangement of said complementary interdigitated electrodes A and B (11) on the substrate chosen as an insulating plate (12); (iii) encapsulation of the metallic electrodes (11) by nanometric scale layers of insulating material (13), in which the last layer guarantees the functionality of the device.

15. Method according to claim 14, characterized in that the insulating materials used for the encapsulation of the interdigitated electrodes are metal oxides chosen from a group comprising nickel oxide, chromium oxide, platinum oxide, titanium oxide and aluminum oxide.

16. Method, according to claim 14, characterized by the fact that the interdigitated electrodes are encapsulated from the growth of native oxides on said electrodes.

17. Method, according to claim 14, characterized in that the interdigitated electrodes are encapsulated from oxide deposition methods on said electrodes, such as: atomic layer deposition, known as ALD or atomic layer deposition, or deposition by spraying, known as sputtering, or chemical vapor deposition, known as CVD or chemical vapor deposition, or deposition by thermal evaporation or deposition by high-energy electron beam irradiation, known as e-beam, or other physical methods and state-of-the-art chemicals for depositing oxides on electrodes.

18. Method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the oxide layers used for encapsulating the interdigitated electrodes (11) are less than 1μm thick and provide complete electrical isolation of the interdigitated electrodes (11).