MICROSSENSOR PARA MEDIÇÃO DE COMCENTRAÇÃO DE UMA MISTURA DE DOIS LÍQUIDOS
Lucas Gonçalves Dias Mendonça1, Ricardo Cury Ibrahim2
1,2
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
1
Faculdade de Tecnologia de São Paulo
[email protected], [email protected]
1. Introdução
Neste trabalho é proposto um método de medição de
concentração de uma mistura de dois líquidos que utiliza a propriedade dielétrica de alguns líquidos para diferencia-los.
Consideremos dois líquidos dielétricos cujas constantes dielétricas tenham valores distintos. Uma mistura
desses líquidos apresenta um valor intermediário entre
as duas constantes [1].
Imaginemos agora, que se consiga introduzir essa
mistura entre as placas de um capacitor. A mistura funcionaria como o dielétrico do capacitor. A variação na
concentração da mistura provocaria uma variação na
permissividade e conseqüentemente, na capacitância. Se
a variação da capacitância for perceptível por um sistema de medição, esse capacitor funcionará como um
sensor de concentração dessa mistura.
Decidiu-se então por construir um sensor em forma
de eletrodos interdigitados como pode ser visto na figura 1, porém com diversos dedos e alguns interdigitados
ligados por trilhas.
Figura 1 - Formato de eletrodos inter-digitados adotado
para o sensor.
2. Metodologia
Foram feitas simulações computacionais baseadas
no Método dos Elementos Finitos em modelos simplificados. Através das simulações observou-se o comportamento do potencial e do campo elétrico no dielétrico.
Observou-se muitos efeitos de borda que devem interferir muito nos campos e capacitâncias.
A etapa de fabricação foi realizada no LNLS (Laboratório Nacional Luz Síncrotron). As amostras fabricadas têm diferentes parâmetros quanto à largura, comprimento e altura dos dedos; espaçamento entre dedos e
quantidade de interdigitados.
A estrutura do sensor é composta de paredes de níquel eletro-depositadas sobre uma camada ouro-titânio
previamente depositada sobre um substrato de alumina.
Quando o sensor é colocado em um líquido, tem os
espaços entre os dedos preenchidos, tornando-se o líquido, o dielétrico dos capacitores.
Após a construção do sensor, analisou-se o comportamento da capacitância em relação à freqüência para
diferentes líquidos e misturas. Utilizou-se um analisador
de Impedâncias HP 4194 A.
3. Resultados e Discussões
A figura 2 mostra a variação da capacitância com a
freqüência para gasolina comum, gasolina Petrobrás
Podium e uma mistura de 14% de álcool em gasolina
Podium.
Figura 2 - Gráfico das curvas freqüência x Capacitância
para álcool, gasolina e sua mistura.
Como se pode observar, as curvas apresentam diferenças que se devem às permissividades das substâncias.
Isso permite ao sensor detectar uma adulteração em um
composto líquido (quantidade de álcool na gasolina
além da permitida, por exemplo). Dados retirados deste
tipo de curva possibilitam a calibração através de curvas
capacitância x concentração, quando se tem várias varias concentrações diferentes de uma mistura específica.
A faixa de freqüência a ser utilizada depende da
mistura com que se está trabalhando. Neste trabalho
foram estudadas freqüências de 100Hz a 40MHz.
4. Conclusões
O sensor se mostrou capaz de diferenciar soluções
que apresentem diferentes permissividades.
O sensor também é capaz de detectar adulterações
em um composto.
Um estudo mais avançado, posterior a este, se faz
necessário par a aplicação efetiva deste tipo de sensor
como medidor de concentração.
5. Referências
[1] Beckmann, et al, 1997, “Analysis of complex impedances in CMOS technology for chemical sensor
applications”, Sensors and Actuators A, 734-738.
Agradecimentos
Ao Laboratório de Microfabricação do LNLS, Campinas SP pelo uso dos equipamentos e discussões técnicas. Ao professor Julio Cezar Adamoswski do
PMR-EPUSP pelo uso do instrumento analisador de
impedância.