Recibido: Noviembre de 1999 Aprobado: Febrero del 2000

Comportamiento elctrico de un sensorde gases

INTRODUCCINNumerosos procesos productivos y sociales requieren detectar

la presencia o no de gases combustibles y (o) reductores con elobjeto de medir y (o) controlar sus concentraciones para eldesenvolvimiento adecuado de dichos procesos. Adems deesto, una de las tareas actuales que cobra cada vez mayorimportancia es la conservacin y saneamiento del medio ambiente.Estas circunstancias actualizan la tarea de deteccin y medicinde gases y otros agentes qumicos y biolgicos.

Los sensores de gases constituyen la unidad bsica a partir dela cual puede realizarse la tarea planteada. Ellos constituyendispositivos de pequeo formato, construidos de materialesdiversos con diferentes tecnologas, y formas de presentacin, ycada vez mas verstiles y eficientes.

Centro de Investigaciones en Microelectrnica (CIME), Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra (ISPJAE),Ciudad de La Habana, Cuba

A. D. Barzaga y J. M. Meana

RESUMEN / ABSTRACTSe evala el comportamiento elctrico de un sensor resistivo en presencia de gases combustibles y (o) reductores.Se presentan los resultados de las mediciones de la tensin de salida y la sensibilidad del sensor en presencia deamonaco, metano e hidrgeno. Se recomiendan determinadas condiciones de polarizacin del sensor para maximizarsu sensibilidad para cada uno de los gases utilizados.Palabras claves: sensor resistivo, sensor de gases, mediciones elctricas, reductores, medio ambiente, deteccin de gases, disposi-tivos semiconductores

The electric behavior of a resistive sensor is evaluated into combustible and (or) reducers, gas media. The resultsof the measurements of the output voltage and the sensitivity of the sensor are presented in presence of ammonia,methane and hydrogen. Certain conditions of sensor polarization are recommended to maximize their sensitivityfor each one of the used gases.Key words: gas sensor, resistive sensor, electrical measurement, reducers, environment, gas detection, semiconductor device

Ingeniera Electrnica, Automtica y Comunicaciones, Vol. XXI, No.2, 2000EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Una de las dificultades que presentan los actuales sensores essu selectividad frente a la presencia de diferentes gases. Estacaracterstica pudiera mejorarse tecnolgicamente usando en suconstruccin una combinacin qumico-fsica de dopantes, comopuede ser paladio, platino, plata, etctera, as como la adicin defiltros mecnicos compuestos por diferentes sustancias capacesde absorber selectivamente algunos gases.

En el presente trabajo se muestra la caracterizacin elctrica,esttica y dinmica, de un sensor resistivo suministrado por lafirma Sensors & Analysers LTD, destinado, segn susfabricantes, a la deteccin de hidrgeno y otros hidrocarburos.Los resultados obtenidos en las mediciones permitieron observarla factibilidad de medicin de otros gases, determinar lascondiciones elctricas mas favorables de medicin y sugirieron

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la aplicacin de determinadas condiciones para lograr unaselectividad adecuada del sensor.

MATERIALES Y MTODOSEl sensor objeto de estudio, de la firma inglesa Sensors &

Analysers LTD, est constituido por un substrato cermico de4 mm, donde sobre una de sus caras se ha realizado una deposicinmediante la tcnica de CVD (Chemical Vapor Deposition) de unxido metlico semiconductor, recubrindose la misma por unafina capa de platino, paladio o plata. Sobre la cara opuesta delsubstrato se construye un resistor de platino con el objetivo deproporcionarle el necesario calentamiento al sensor. El dispositivose comunica con el exterior a travs de dos parejas de terminalescorrespondientes a la capa sensora y al resistor. La figura 1muestra un perfil de la estructura del sensor.

El sensor forma parte de un circuito de prueba (figura 3), dondele son aplicadas tensiones de corriente continua de corrientealterna o una combinacin de ambas. Las tensiones originadasen el sensor para las condiciones elctricas de medicin y lasdistintas concentraciones de los gases se registran,simultneamente, en un multmetro digital electrnico y en unosciloscopio. La impedancia de entrada del Multmetro fueelevada usando buffers en sus entradas, as como delosciloscopio, dado el valor resistivo, relativamente grande (170 k)que presenta el sensor inicialmente. La frecuencia mxima de laseal de corriente alterna fue limitada a un valor que no permitierala influencia de los efectos parsitos del sensor y el cableado delcircuito.

Figura 1Perfil del sensor.

Para la medicin de las caractersticas del sensor se utiliz unacmara de cristal hermtica, de una capacidad de 24,5 L, quecuenta con una vlvula para la entrada de los gases de prueba.Los gases son inyectados al interior de la cmara con ayuda deuna microjeringuilla, con cada una de las concentracionesdeseadas (figura 2).

Figura 2Estacin experimental del sensor.

Figura 3Circuito de prueba.

CIRCUITO DE PRUEBA DEL SENSORPara las mediciones elctricas del sensor se utiliz el esquema

elctrico mostrado en la figura 3. Este circuito permite medir endistintos regmenes de operacin para poder detectar la mejorforma del empleo de este. Cuando el interruptor W1 esta cerrado yW2 abierto el sensor esta sometido solo a una tensin continua.En el caso opuesto, W1 abierto y W2 cerrado, el sensor se encuentratrabajando en rgimen dinmico donde se verifica la respuestadel mismo a un barrido de frecuencia manteniendo el valor de latensin constante. Se le determina la respuesta de frecuencia delsensor y la sensibilidad de este a diferentes concentraciones degases y a diferentes frecuencias.

Por ltimo, el sensor fue sometido a un rgimen de trabajocombinado, donde ambos interruptores, W1 y W2, se encuentrancerrados y se repitieron las operaciones descritas anteriormente.

Para las mediciones fueron empleados un multmetro digitaltipo V560, un osciloscopio TR-4653 para sensar las formas deondas obtenidas en el sensor, un generador de funciones deltipo TR-0466, un electrmetro Keithey 614, un contador defrecuencias national VP 4551A y un Puente RLC semiautomticoBM 509. En la tensin de medicin en rgimen dinmico se adoptseal senoidal con una magnitud de 10 V, pico a pico.

Como resultado de las mediciones efectuadas se obtuvo unjuego de curvas donde se determina la respuesta del sensor enfuncin de diferentes estmulos, como son la concentracin delgas a ser medido, el tipo de gas, la tensin aplicada sobre elsensor y la frecuencia de trabajo. En las figuras 4 ,5, 6 y 7 semuestran las curvas obtenidas experimentalmente usando losgases metano, hidrgeno y amonaco.

COMPORTAMIENTO...

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ANLISIS DE LAS MEDICIONESLa figura 4 muestra la variacin de la tensin del sensor en

funcin de la concentracin de hidrgeno, tomndose comoparmetro la frecuencia de la seal del generador.

A medida que aumenta la frecuencia de la seal, la tensin desalida del sensor se va reduciendo. Esto se interpreta, como quela resistencia efectiva del sensor se va reduciendo con el aumentode la frecuencia, revelando as un carcter capacitivo.

A una frecuencia fija, con aumentos de la concentracin delhidrgeno, se produce un aumento sostenido de la tensin delsensor. Esto es cierto para cada una de las curvas ploteadasen la figura 4. Es equivalente decir que, para una seal de CAde frecuencia fija aplicada al sensor, el aumento de laconcentracin del gas hidrgeno provoca un aumento de laimpedancia del sensor.

Un anlisis de la forma de cada curva de respuesta del sensormuestra que estas tienen, sin excepcin, dos zonas perfectamentediferenciadas entre s: una zona que se extiende desde muy bajasconcentraciones hasta 200-250 mg/L, con una variacinrelativamente elevada y lineal de la tensin del sensor con elincremento de la concentracin del hidrgeno; una inflexin enesta zona lmite donde se produce una disminucin de lapendiente de las curvas y, con ello, una disminucin de lasensibilidad del sensor. Es evidente que la mayor sensibilidad sealcanza en la regin de bajas concentraciones por lo que esrecomendable su uso para la medicin de estos niveles deconcentracin.

Una extensin del anlisis para el resto de las curvas (figuras 5y 6) , donde los gases usados fueron el amonaco y el metano,muestra un comportamiento similar al observado con el hidrgeno.En el caso particular del amonaco (figura 5) se observa que tantola tensin absoluta, como la variacin de la misma en la zona debajas concentraciones, los valores son mayores que los que seproducen con los otros dos gases utilizados.

En la figura 7 se representan las curvas de respuesta del sensorpara cada gas cuando el mismo se alimenta con una tensin decorriente continua (5 V). Para las mismas condiciones deoperacin, el amonaco provoca que la tensin en el sensor sea lamayor de los tres gases bajo prueba. La menor tensin la provocael hidrgeno.

Desde el punto de vista de la variacin de la resistencia delsensor, Rs, el comportamiento del sensor es en orden inverso ala que se produce con su tensin , o sea, el hidrgeno es el quemayor disminucin provoca en Rs, mientras el amonaco es el quemenor lo hace.

En el trabajo experimental se abord, tambin, la influencia quetiene la magnitud de la tensin aplicada al sensor sobre susensibilidad, para cada uno de los gases utilizados en el presentetrabajo. Para ello se vari el valor del resistor R2 en el circuito dela figura 3. En la figura 8 se muestran las curvas de sensibilidad

s

s

RR

en funcin de la concentracin del metano. El

comportamiento del sensor para los otros dos gases tiene unaforma similar a la del metano.

Figura 4Tensin vs concentracin de hidrgeno (CA).

Figura 5Tensin vs concentracin de amonaco (CA).

Figura 6Tensin vs concentracin de metano (CA).

Figura 7Tensin vs concentracin (CD).

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De la figura 8 se observa que la mayor sensibilidad se obtienepara pequeas tensiones de polarizacin del sensor, o sea, paralos mayores valores del resistor R2.

Figura 8Sensibilidad vs concentracin de metano para diferentes R.

CONCLUSIONESLas mediciones efectuadas sobre el sensor de gases resistivo

de la firma Sensors & Analysers LTD evidencian uncomportamiento similar cuando el sensor esta siendo alimentadocon tensiones continuas o alternas. Sin embargo, se demostrque en condiciones estticas el sensor presenta la mayorsensibilidad a las variaciones de las concentraciones de los gases.Esto facilita el diseo del circuito de medicin y el deprocesamiento de la seal de salida y recomienda su uso en estemodo de operacin. La construccin de equipos para la mediciny (o) control de estos gases en la industria y su deteccin en elmedio ambiente, puede ser una va de ahorro de divisas porconcepto de importacin .

Las pruebas realizadas sobre el sensor muestran la factibilidadde la deteccin del gas amonaco, con una buena sensibilidad.Este gas no esta reportado por el fabricante para ser medido con

este sensor, sin embargo, esta medicion resulta de gran intersen las salas blancas para la cra de animales de laboratoriodestinados a la validacin de alimentos, medicamentos, etctera,donde se requiere medir concentraciones muy bajas.

Se verific que la polarizacin del sensor no provocaalteraciones en sus caractersticas. Adems de esto se determinla conveniencia de trabajar al sensor con bajas polarizacionespara obtener sensibilidades relativamente elevadas.

Las curvas de respuesta del sensor frente a todos los gasesmedidos muestran un comportamiento logartmico. Linealizandoelectrnicamente estas curvas el rango de medicin del sensorpuede ampliarse desde bajos, hasta relativamente altos nivelesde concentracin de gases.

REFERENCIAS1. The Industrial Catalogue, Section 30: "Sensors and

Transducers", p.1107, FARNELL, 1998.2. G.B. Patent No. E.P. 95916799- 19940429, 1995.3. STEIMER, GEORGE; et al.: "Current-Voltage Characteristics

of Thin Film SnO2 Gas Sensors: Electronic Artifacts and GasResponse", Sensors and Materials, Vol. 9, No. 2, pp. 107-116,1997.

4. ANSARI, S.G.; et al.: "Characterization of SnO2-Based H2Gas Sensors Fabricated by Different Deposition Techniques,"Journal of Materials Science: Materials in Electronics,pp. 23-27, 1997.

AUTORESAngel D. Brzaga VarelaDr. Ingeniero en Telecomunicaciones, Profesor AuxiliarCorreo electrnico: abarzaga@electrica.ispjae.edu.cu.

Jos M. Meana PrezMSc. Ingeniero Qumico, Investigador auxiliarCorreo electrnico: meana@electrica.ispjae.edu.cu

Vol. XXI, No. 2, 2000