modelo para resumo expandido - Boletim Técnico da Faculdade de

SISTEMA ELETRÔNICO DE PRECISÃO PARA A
MEDIDA DE FREQUÊNCIAS EM MICRO-BALANÇAS DE
CRISTAL DE QUARTZO
Eduardo dos Santos Ferreira1, Maria Lucia Pereira da Silva2
1
Prof. Dr. do curso de Materiais da FATEC-SP
2
Profa. Dra. do curso de MPCE da FATEC-SP
[email protected], [email protected]
Resumo
Apresentaremos neste trabalho o projeto e a
construção de um sistema eletrônico que permite a
medição precisa da variação da frequência de um cristal
de quartzo. O coração do sistema é um multiplicador
analógico de quatro quadrantes da Texas Instruments, o
MPY634. Com este sistema, é possível medir com
precisão 1Hz em 4.000.000Hz.
1. Introdução
Os avanços na indústria microeletrônica permitiram
a criação de sistemas computacionais mais complexos,
bem como novos e mais eficientes softwares para
aquisição e tratamento de dados experimentais. Tais
avanços impulsionam a pesquisa científica e o
desenvolvimento
industrial,
permitindo
o
desenvolvimento de novos e melhores produtos.
Dentro deste contexto, a miniaturização de estruturas
para o pré-tratamento de amostras, seja química ou
biológica, é um bom exemplo das vantagens de se
integrar sensores a sistemas computacionais de análise
de dados [1]. A química é uma das áreas mais afetadas
pela miniaturização de sensores. Da mesma forma como
o progresso tecnológico da microeletrônica permitiu o
desenvolvimento de novos e mais poderosos sistemas
micro processados, ela também permitiu o
desenvolvimento de sistemas micro eletromecânicos –
MEMS
(Microelectromechanical
Systems
MEMS) [2],[3],[4]. Sistemas micro eletrônicos e micro
mecânicos foram manufaturados e integrados, surgindo,
assim, micro equipamentos e micro estruturas de grande
eficiência para análise química. Isto é muito útil na
instrumentação química, pois diminui o volume de
amostra necessária e permite a criação de sistemas mais
rápidos de análise. Nesta linha de pensamento, existem
os sistemas de micro análise total – μTAS (micro total
analysis system) [5].
Sistemas μTAS têm duas importantes características:
tempo necessário para análise química da ordem de
segundos e quantidade de amostra de poucos
microlitros. Assim, o uso destes sistemas colabora para
o desenvolvimento de tecnologias mais sustentáveis,
pois o uso de reagentes é mínimo e conseqüentemente o
problema do descarte se torna menor.
Um exemplo de integração entre materiais
cerâmicos, microestruturas e sistemas eletrônicos é a
microbalança de cristal de quartzo [1] (MCQ).
Microbalanças de cristais de quartzo são utilizadas em
várias aplicações de baixo custo, como por exemplo,
análise eletroquímica, caracterização de gases,
miniaturização de sistemas de análise, etc.
A citação da incorporação de materiais piezelétricos
a microestruturas é recorrente na literatura. Contudo, a
fabricação de micro sistemas de análise sobre substrato
cerâmicos (C-MEMS) 6 é mais recente, havendo poucas
publicações na área.
O princípio de operação da MCQ é o efeito
piezoelétrico. Certos materiais geram um campo elétrico
quando submetidos a deformações ou outras forças
mecânicas externas. Quando a intensidade e sentido da
perturbação mecânica variam, proporcionalmente,
variam a intensidade e o sentido do campo elétrico
gerado no cristal. Da mesma forma, ao aplicarmos um
campo elétrico ao material, ele sofre uma deformação
mecânica. Este fenômeno é conhecido como
piezoeletricidade e materiais que apresentam este
comportamento são chamados de piezoelétricos [7].
Cristais piezoelétricos são utilizados em circuitos
osciladores de alta estabilidade e precisão. Isto se
consegue fazendo o corte preciso destes cristais, que
passam a oscilar mecanicamente em frequências
precisas.
Na Figura 1, apresentamos o esquema de uma MCQ.
Sobre a superfície do cristal, é depositado um filme
adsorvente. A adsorção de massa no filme adsorvente
provoca um desvio em sua frequência, que é descrito
através da equação de Sauerbrey [8]:
(1)
onde Δf é a variação de frequência de ressonância do
cristal em Hz, f0 é a frequência de oscilação do cristal,
‘A’ é a área exposta, Δm é a variação de massa e K é a
constante de adsorção da superfície do cristal.
Figura 1 – Princípio de funcionamento da MCQ.
Para proteger o sensor e garantir precisão no sistema
de medidas, o cristal é colocado em um ambiente
fechado, denominado cela, onde fica exposto a gases em
Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 – pág. 38 a 41 –Abril / 2010
38
fluxo constante. Nesta cela, com a passagem do gás
através dela, a frequência de oscilação do cristal
apresenta variação que, segundo a equação (1), é
proporcional à massa gasosa existente sobre o cristal no
momento da medida [8],[9].
Apresentaremos neste trabalho o projeto e a
construção de um sistema eletrônico que permite a
medição precisa da variação da frequência do cristal de
quartzo.
2. Metodologia
Na Figura 1, apresentamos o diagrama do sistema de
controle da microbalança. Um cristal é exposto à
solução e o outro é reservado como referência de
frequência.
Figura 2: Sistema eletrônico para o controle da MCQ.
Deste modo, teremos um sinal composto por dois
harmônicos, sendo um deles a diferença de frequência
entre os dois cristais. Utilizando um filtro passa baixa,
separamos o sinal de baixa frequência, que é
proporcional à massa adsorvida no cristal. A vantagem
desta abordagem é termos uma boa precisão na medida
sem necessitarmos de frequencímetros e softwares de
alto custo.
3. Resultados e discussões
Na figura 4, apresentamos os resultados do teste do
filtro passa baixa. O filtro utilizado é um circuito R-C
série, com resistência (R) de 1kΩ e capacitância (C) de
100nF.
A
frequência
de
corte
observada
experimentalmente é de 2kHz, valor próximo à
frequência projetada de 1,59kHz. Esta frequência de
corte foi estipulada, considerando o máximo desvio de
frequência do cristal de quartzo, que ocorre quando a
sua superfície fica saturada e, deste modo, não há mais
adsorção. A variação máxima desta frequência devido à
adsorção na superfície é de dezenas de Hertz [9].
Porém, existe uma diferença de frequência de oscilação
entre os cristais, que é de centenas de Hertz. Isto é
devido à variação natural do processo de fabricação dos
cristais osciladores. Assim, mesmo sem material
adsorvido na superfície do cristal, o sistema apresenta
uma frequência de saída que pode variar de 10Hz a
1.000Hz, o que justifica projetar o filtro com frequência
de corte mais elevada do que a variação da frequência
devido à adsorção.
ganho
1,0
Av
Na Figura 3, apresentamos o circuito desenvolvido.
Cada cristal é ligado a um oscilador de onda quadrada.
As saídas dos osciladores são ligadas às entradas de um
multiplicador de quatro quadrantes que, por sua vez, é
ligado em um filtro passa baixa. O sinal filtrado de
baixa frequência é transformado em onda quadrada para
pode ser lido em um multímetro digital de baixo custo
que, por sua vez, é ligado a um computador.
(3)
0,5
0,0
100
1000
10000
100000
f (Hz)
Figura 3: Esquema elétrico do sistema de medição.
Figura 4 – Resposta do filtro RC.
O multiplicador de quatro quadrantes é o MPY634.
Sua função é fazer o batimento (multiplicação) dos
sinais alternados aplicados em suas duas entradas.
Considerando que o primeiro harmônico dos sinais na
entrada seja do tipo:
e
(2)
onde ω1 e ω2 são as frequências angulares dos sinais
retangulares de entrada. O resultado da multiplicação
das tensões será:
Figura 5 – Testes de funcionamento do circuito
multiplicador, do gerador de referência e do filtro passabaixa.
Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 – pág. 38 a 41 –Abril / 2010
39
Na Figura 5, apresentamos a montagem para o teste
do funcionamento do sistema. O Agilent 33210A é um
gerador de sinais com precisão de 1mHz. Ele foi
utilizado para simular a variação da frequência da
microbalança. Para a medida da frequência de saída, foi
utilizado o multímetro Agilent 34410A, cuja precisão de
medida é de 0,1Hz. Na Figura 6, apresentamos o
resultado do teste de funcionamento do sistema. A
frequência do gerador foi variada de 4.000.000Hz a
4.010.000Hz. O valor máximo de frequência até o qual
o sistema opera linearmente é de 4.006.000Hz. Isto é
equivalente a uma diferença de frequência de 6kHz.
Após esta frequência, o ganho do filtro passa baixa
passa a ser pequeno o suficiente para que o sinal na
entrada do inversor de saída (Figura 5) não funcione
mais.
A Figura 8 exibe o resultado do teste de
funcionamento do circuito completo (Figura 3) quando
a célula de medição (sensor) foi submetida a um fluxo
de 2-propanol de 5sccm durante 60s. A medida foi
repetida após 600s. Através dos resultados obtidos,
verificamos que o tempo de resposta do circuito é
adequado para as medições com a célula.
diferença
8000
7000
6000
df (Hz)
5000
Figura 8 – Teste com fluxo de 2-propanol
4000
3000
2000
4. Conclusões
1000
0
3998000
4000000
4002000
4004000
4006000
f (Hz)
Figura 6 – Resposta do circuito multiplicador, usando
como referência o oscilador com cristal de 4MHz.
A Figura 7 apresenta uma simulação da resposta do
circuito ao ser ligado ao sensor piezelétrico. Para a
simulação, foi utilizada a equação 1 e os dados
experimentais da Figura 6. Foram consideradas duas
constantes de adsorção (K) obtidas da literatura [7],[9].
A precisão do circuito e a linearidade de operação
permitem uma leitura precisa da adsorção na superfície
do cristal, ficando as melhorias na sensibilidade do
sistema limitadas apenas pela constante de adsorção das
superfícies.
BT25/Malu
Quim. Nova
60
dm (ug)
40
20
0
3998000
4000000
4002000
4004000
4006000
f (Hz)
Figura 7 – Simulação da resposta em massa do circuito
usando dados das referencias 7 e 9.
O sistema eletrônico desenvolvido, de medição de
frequência por batimento de sinais, permite a medição
precisa da variação da frequência em um cristal
piezelétrico de um microbalança de cristal de quartzo.
Conseguiu-se medir com precisão 1Hz em 4.000.000Hz.
Agradecimentos
À FATEC-SP, pela aquisição dos equipamentos.
Ao CNPq pelas bolsas concedidas.
À Texas Instruments do Brasil pelo fornecimento
dos componentes eletrônicos utilizados.
Referências Bibliográficas
[1] Moitinho, E. T., et. Al.. Simulação de um sistema
digital para o controle de uma microbalança de
quartzo. Boletim Técnico da Faculdade de
Tecnologia de São Paulo, número 23, 2007.
[2] Manaf, A. B, et. Al.. Characterization of
miniaturized one-side-electrode-type fluid-based
inclinometer. Sensors and Actuators A 144, p. 74–
82, 2008.
[3] Beeby, S. , et. Al.. MEMS – Mechanical Sensors.
Artech House, INC., 2004.
[4] Webster, J. G. (Editor). Measurement,
Instrumentation, and Sensors Handbook. CRC Press,
1999.
[5] Goswami, A. e Han, B. Quantitative
Characterization of True Leak Rate of Micro to
Nanoliter Packages Using Helium Mass
Spectrometer. IEEE TRANSACTIONS ON
ADVANCED PACKAGING, VOL. 32, NO. 2,
MAY 2009.
Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 – pág. 38 a 41 –Abril / 2010
40
[6] Vasilev, A.A. et. Al.. Alumina MEMS platform
for impulse semiconductor and IR optic gas
sensors. Sensors and Actuators B 132, p. 216–223,
2008.
[7] Varela, H., et. Al.. Técnicas in situ de baixo custo
em eletroquímica: A microbalança de quartzo.
Química Nova, 23(5) (2000).
[8] Santos, L.C., et. Al.., Desenvolvimento de Testes
Semi-automatizados de Miniestruturas, Revista
Brasileira de Aplicações de Vácuo, vol. 2, n. 25, p.:
75-81, 2006.
[9] Menezes, G. R., et. Al.. Adaptação de
frequencímetro de baixo custo para análise em
amostras gasosas. Boletim técnico da Fatec-SP, n
25, 2008.
Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 – pág. 38 a 41 –Abril / 2010
41