Diseño de sistemas multisensores para monitorizacion ambiental

Abstract

Este trabajo se centra en el diseño, fabricación y caracterización de diferentes tipos de sensores ambientales. Se entiende por sensor cualquier tipo de dispositivo que recibe una señal o estímulo de su entorno y responde con otra señal que puede convertirse en una eléctrica. Los sensores no funcionan independientemente sino que forman siempre parte de sistemas más complejos que pueden incluir muchos otros detectores, procesadores de señal, acondicionadores de señal, memorias y actuadores. En la introducción de este trabajo se describen las principales características de los sensores así como las técnicas de fabricación más frecuentes para el desarrollo de sesnores. Primeramente, se han descrito estructuras interdigitales como sensores de humedad. Dichos sensores han sido previamente modelados para optimizar sus dimensiones y sensibilidad y posteriormente fabricados por inyección de tinta sobre substrato flexible. Los sensores han sido caracterizados en función de la humedad relativa, temperatura y frecuencia. A continuación, se ha presentado una estructura capacitiva novedosa, incluyendo una sección de simulación detallada y comparada con los electrodos interdigitales. Además, estos sensores han sido fabricados y caracterizados como sensores de humedad para directamente poder compararlos con los sensores interdigitales. Además, se han analizado electrodos dispuestos en forma de espiral enrollada, incluyendo su simulación, fabricación y caracterización. Estos tres tipos de electrodos siguen el mismo proceso de fabricación basado en utilizar substratos sensibles al analito de interés, por lo que solo es necesario imprimir los electrodos sin necesidad de depositar otro material sensible. El último sensor capacitivo de humedad presentado sigue un proceso de fabricación diferente. En este caso, el proceso es más complejo ya que combina varias etapas de serigrafía y un material más que los anteriores pero el ratio capacidad-área aumenta sustancialmente. En el siguiente capítulo se presenta una estructura mixta con dos capacidades sensores. Dicha estructura integra un sensor capacitivo y otro resistivo. La parte capacitiva sigue el mismo principio de fabricación que los sensores presentados en el primer capítulo mientras que la parte resistiva requiere la impresión de una capa sensora extra. Este sensor doble ha sido probado como sensor capacitivo de humedad y sensor resistivo de tolueno al mismo tiempo. Además, se muestra un estudio detallado de los parámetros de diseño principales de la película sensible al tolueno como son la influencia de la composición del composite, la densidad de la pantalla de serigrafía empleada y la forma de los electrodos. En el capítulo cuarto, se muestran diferentes estructuras diseñadas con distintas tecnologías y para diferentes finalidades pero con la característica común de poseer alguna parte suspendida. Primero se han diseñado micro-palancas impresas siguiendo distintas estrategias de fabricación. A continuación, se han estudiado dos dispositivos que usan tecnología MEMS: un recolector de energía piezoeléctrico con el objetivo de ampliar su factor de calidad y sintonizar su frecuencia de resonancia; y un micrófono capacitivo para optimizar su sensibilidad en función de sus parámetros geométricos. Estas últimas estructuras no han sido fabricadas todavía pero se ha llevado a cabo un profundo modelado. Finalmente se muestras distintas estrategias de integración de sensores de humedad, tanto de sensores desarrollados por nosotros como de sensores disponibles comercialmente, en sistemas electrónicos para proporcionar una funcionalidad completa al usuario final. Primero, se muestra una sonda edáfica multisensora. Dicha sonda mide humedad, temperatura y concentración de oxígeno en las inmediaciones de las raíces de las plantas. Para ello se ha empleado un sensor comercial de humedad y temperatura y un sensor de oxígeno previamente desarrollado en este grupo de investigación. A continuación, se ha presenta una etiqueta RFID que proporciona la lectura de dos parámetros ambientales: humedad y temperatura. La humedad proviene de un sensor capacitivo impreso en la etiqueta como los presentados previamente en este trabajo mientras que la temperatura viene dada por un sensor integrado en el chip RFID de la etiqueta. Ambos parámetros son leídos con una alta precisión. El último prototipo desarrollado es otra etiqueta RFID que incluye también un sensor capacitivo impreso de humedad. Esta etiqueta puede ser leída con cualquier lector RFID pero solo proporciona un valor umbral de la humedad, es decir, la lectura o no lectura del identificador de la etiqueta en cuestión está asociado a un rango de humedades concreto. En caso de no incluir chip RFID esta configuración puede ser empleada directamente como sensor de humedad en el que los cambios en la frecuencia de resonancia están asociados a la humedad relativa.