ES2629446A1

ES2629446A1 - Método de control para sensores químicos de gases y sistema de detección de gases

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Publication number: ES2629446A1
Application number: ES201531421A
Authority: ES
Inventors: Manuel Dominguez Pumar; Lukasz Kowalski
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2035-10-02
Also published as: US10684242B2; ES2629446B1; US20180306739A1; WO2017055671A1

Abstract

Método de control para sensores químicos de gases del tipo que presentan una capa sensible, que comprende las etapas de: a) medir la resistividad de la capa sensible en un instante, con la capa sensible estando a una temperatura; b) en función del valor de resistividad medido establecer un perfil de temperatura para aplicar a la capa sensible; c) obtener el promedio de los valores de temperatura a lo largo de los perfiles de temperatura aplicados a la capa sensible durante un intervalo de tiempo, y comparar dicho promedio de temperatura con unos valores almacenados para determinar cambios en la concentración de gas; también es objeto un sistema de detección de gases que comprende un sensor químico de gas vinculado a unos medios de control vinculados a unos medios calefactores asociados con la capa sensible, definiendo un lazo de control de topología sigma-delta.

Description

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durante la aplicación de los perfiles de temperatura a la capa sensible 31. Para facilitar el accionamiento de los interruptores 21A, 22A, está previsto un canal de comunicación 23 representado en línea discontinua. Los interruptores 21A, 22A podrán adoptar cualquier formato adecuado para tal fin, pudiendo estar incluidos en los propios medios de control 2.

En la presente realización la capa sensible 31 está vinculada con los medios de control 2 a través de sendos canales de comunicación 21 y 22 por donde se aplican por lo menos dos tipos de perfiles de temperatura, con promedios diferentes y obtenidos al conmutar al menos entre dos temperaturas Tref y T2. Dichos perfiles de temperatura se podrán aplicar sobre la capa sensible 31 gracias a la presencia de los medios calefactores 32, que preferentemente comprenden una resistividad de platino. Será evidente para el experto en la materia substituir la resistividad de platino por un elemento calefactor equivalente.

Los medios de control 2 están vinculados a los medios calefactores 32, además se puede apreciar que los medios de control 2 están vinculados a la capa sensible 31 y están configurados de forma tal que miden la resistividad Rchem de la capa sensible 31. Para ello se podrán emplear elementos de medición conocidos en el estado de la técnica por lo que no se entrará en su descripción. Los medios de control 2 están vinculados a la capa sensible 31 y al resto de elementos detallados en la presente descripción, definiendo un lazo de control de topología sigma-delta.

Cabe mencionar que la capa sensible 31 comprende nanoagujas de óxidos metálicos, preferente pero no exclusivamente están hechas de óxido de wolframio funcionalizadas con oro. Esta capa sensible 31 puede hacerse crecer mediante deposición química en fase vapor asistida por aerosol, y estar montada en una microplataforma 33.

Es por tanto un objeto de la presente solicitud un método de control para sensores químicos de gases, los sensores químicos siendo del tipo que presentan por lo menos una capa sensible con nanoestructuras de óxidos metálicos, caracterizado por el hecho de repetir de manera periódica las etapas de:

En cuanto al método de control a seguir para sensores químicos 3 de gases, se podrá aplicar al sistema descrito anteriormente caracterizado por el hecho de repetir de manera periódica las etapas de: : a) medir la resistividad Rchem de la capa sensible 31 en un instante de un intervalo de tiempo, la capa sensible 31 estando a una temperatura de referencia Tref predeterminada; esta medición viene indicada en el recuadro informativo 4. b) en función del valor de resistividad Rchem medido en la etapa a), establecer un perfil de temperatura para aplicar a la capa sensible 31 durante un intervalo de tiempo posterior al de la etapa a); cuyo perfil de temperatura se escoge entre al menos un par de perfiles de temperatura prefijados (BIT0, BIT1), cuyos promedios de temperatura son distintos entre sí; c) obtener el promedio de los valores de temperatura a lo largo de los perfiles de temperatura aplicados a la capa sensible 31 durante por lo el período anterior y el período actual, y comparar dicho promedio de temperatura con unos valores almacenados para determinar cambios en la concentración de algún gas a detectar. Es evidente que estos valores almacenados, por ejemplo en los medios de control 2, podrán ser tantos como sean necesarios, sin ningún tipo de limitación para el experto en la materia. La señal necesaria pasará por el filtro paso bajo 5 como salida, y de allí volvería a los medios de control 2 o a otro destino donde se compararía con una base de datos de promedios de perfiles de temperatura relacionados con determinados gases.

Preferentemente el perfil de temperatura establecido en la etapa b) se escoge entre al menos un par de perfiles de temperatura BIT0, BIT1 prefijados cuyos promedios de temperatura son distintos entre sí. Estos perfiles de temperatura BIT0, BIT1 representados en la figura 2 son simples ejemplos, ya que el experto podría aplicar curvas de temperatura

o líneas pendientes por citar algunas posibilidades; los perfiles de temperatura podrán responder a distintas funciones matemáticas aplicadas desde los medios de control 2.

A modo de ejemplo, cuando el sensor químico 3 está ubicado en una atmósfera oxidante, si el valor de resistividad Rchem medido en la etapa a) es inferior a un valor umbral de resistividad Rth, se aplica a la capa sensible 31 un perfil de temperatura BIT1 cuyo promedio de temperatura es superior al promedio de temperatura del otro perfil de temperatura BIT0 disponible.

Continuando con el caso de una atmósfera oxidante, si el valor de resistividad medido Rchem en la etapa a) es superior a un valor umbral de resistividad Rth, se aplica a la capa sensible 31 un perfil de temperatura BIT0 cuyo promedio de temperatura es inferior al promedio de temperatura del otro perfil de temperatura BIT1 disponible.

5 En el caso de una atmósfera reductora, si el valor de resistividad Rchem medido en la etapa a) es superior a un valor umbral de resistividad Rth, se aplica a la capa sensible 31 un perfil de temperatura BIT1 cuyo promedio de temperatura es superior al promedio de temperatura del otro perfil de temperatura BIT0 disponible.

10 En el otro caso de una atmósfera reductora, si el valor de resistividad Rchem medido en la etapa a) es inferior a un valor umbral de resistividad Rth, se aplica a la capa sensible 31 un perfil de temperatura BIT0 cuyo promedio de temperatura es inferior al promedio de temperatura del otro perfil de temperatura BIT1 disponible.

15 Puede verse que las leyes de control que funcionan para la atmósfera o entorno oxidante son opuestas a las que funcionan para una atmósfera o entorno reductor.

En la figura 1 aparece un recuadro informativo 7 para representar las dos opciones que

20 puede adoptar el comparador 6, en función del valor de resistividad Rchem medida. A partir de esa lectura se podrá optar por un perfil BIT1 o BIT0. El comparador 6 podrá formar parte de los medios de control 2.

Como ya se ha mencionado anteriormente, en los ejemplos presentados, se partía de la

25 base que los medios de control 2 solo podían ordenar dos perfiles de temperatura BIT0, BIT1, sin embargo es evidente que pueden haber tantos perfiles de temperatura como sean necesarios. Por ello, en caso de haber disponibles más de un par de perfiles de temperatura prefijados, cuando se tenga que aplicar el perfil de temperatura de promedio superior, se escoge uno de mayor promedio de temperatura que el perfil aplicado en un intervalo de

30 tiempo anterior, o en el caso que éste último sea el de máximo promedio de temperatura disponible, se aplica el mismo.

Por su parte en caso de haber disponibles más de un par de perfiles de temperatura prefijados, cuando se tenga que aplicar el perfil de temperatura de promedio inferior, se 35 escoge uno de menor promedio de temperatura que el perfil aplicado en un intervalo de

tiempo anterior, o en el caso que éste último sea el de mínimo promedio de temperatura disponible, se aplica el mismo.

El método no excluye que cuando sea necesario, se aplique un perfil de temperatura 5 idéntico en forma y promedio que el perfil de temperatura aplicado en un intervalo de tiempo anterior.

Respecto a los perfiles de temperatura BIT0 y BIT1 reflejados en la figura 2, representa la función que sigue la aplicación de calor por parte del medios calefactores 32. El intervalo de 10 tiempo (Ts) está representado como una distancia sobre el eje horizontal y los puntos sobre el eje vertical representan la variación de la temperatura por efecto del calor aplicado sobre la capa sensible 31. Se puede ver que independientemente del perfil de temperatura BITO, BIT1 aplicado, se acaba midiendo la resistividad Rchem de la capa sensible 31, a una misma temperatura de referencia Tref. Como es lógico dicha temperatura de referencia Tref

15 se podrá modificar dependiendo de las necesidades.

Para aplicar el perfil de temperatura se puede hacer a modo de conmutaciones de temperatura. Los medios de control 2 pueden ordenar a través del canal de comunicación 23 cuál de los interruptores 21A o 22A se cierra y así deja pasar por ejemplo la corriente

20 eléctrica necesaria para alimentar los medios calefactores 32, de esa forma se pueden conseguir pulsos de temperatura Tref o T2 dependiendo de las necesidades.

De forma adicional, el método de control puede incluir el hecho de que previamente a la etapa a) se procede a calentar la capa sensible 31 hasta una temperatura de referencia Tref 25 predeterminada.

En cuanto a la vinculación de los distintos elementos, será evidente que en aquellos casos en los que sea posible, por ejemplo para la transmisión de información, dicha vinculación podrá ser inalámbrica.

30 Para comprobar y demostrar el correcto funcionamiento de la presente invención se llevaron a cabo tres pruebas. En dichas tres pruebas se emplearon un sensor químico 3 de gas MEMS dotado de la capa sensible 31 con nanopartículas de óxido de wolframio funcionalizadas con oro y los medios calefactores 32 en forma de resistividad de platino y un

35 par de electrodos de oro.

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-1ª prueba: caracterización de lazo abierto: escalas de tiempo rápidas y lentas

El objetivo de esta sección es analizar experimentalmente cómo un cambio en la temperatura media de la capa sensible 31 genera un cambio en su resistividad. Se han llevado a cabo varios experimentos en la que el valor de la temperatura de la capa sensible, determinado por el valor de la resistividad de Pt, se conmuta entre dos valores posibles (Tref y T2). En un primer experimento se mantiene la capa sensible 31 en un 10% del tiempo en la Tref y un 90% a T2. En un segundo se intercambian los porcentajes. En ambos casos la frecuencia de repetición de los pulsos era 2 Hz. La onda de actuación de los perfiles de temperatura para el primer caso se puede observar en la figura 3. Los valores correspondientes de resistividad Rchem se pueden observar en la figura 4. Al tratarse de capas sensibles de semiconductores, si se incrementa la temperatura (a la inversa se disminuye) la resistividad Rchem de la capa sensible 31 se reduce repentinamente (a la inversa se aumenta). La dinámica de este proceso es relativamente muy rápida. Por lo tanto un barrido rápido de la temperatura de la capa sensible 31, proporciona una curva Rchem

(T) que muestra la dependencia de la temperatura de la capa sensible 31, para un potencial superficial casi constante de las nanoestructuras.

Esto refleja el hecho de que el sistema de detección 1 gases presenta una dinámica con dos escalas de tiempo. El aumento de la temperatura, reduce la resistividad de la capa química sensible 31 semiconductora en un proceso con una dinámica relativamente rápida. Por otro lado, mejora la quimisorción de las especies. Esto significa que en el largo plazo (dinámica de tiempo relativamente lento), se desplazará verticalmente la curva Rchem (T). En caso de atmósfera oxidante Rchem (T) se desplaza hacia arriba, y en el caso de atmósfera reductora hacia abajo. Para observar este comportamiento se llevó a cabo un experimento en atmósfera oxidante en el que los efectos a largo plazo e inmediato de la variación de la temperatura en la capa sensible 31 se pueden observar con claridad. La figura 5 muestra dos conjuntos de puntos. Los que están en la parte inferior del gráfico se han realizado después de aplicar 2 horas el perfil de temperatura mostrado en la figura 3: 10% del tiempo en temperatura alta (Tref), 90% del tiempo en temperatura baja (T2). Los que están en la parte superior de la gráfica se han realizado después de aplicar 2 horas un perfil de temperatura complementario (90% del tiempo en temperatura alta (Tref) 10% del tiempo en baja temperatura (T2)). Como se puede observar, la aplicación continua de un perfil de temperatura con una temperatura media más alta genera un desplazamiento vertical hacia

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Claims

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