A sensor based on SAW technology, using a single channel and two acoustic paths

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Serguei BalachovDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A necessidade científica e industrial de quantificar e detectar precisamente analitos é notável. Para isso inúmeros tipos de dispositivos são desenvolvidos. Um grupo de sensores que apresentam desempenho considerável é o grupo de sensores de ondas acústicas superficiais (SAW). Sensores acústicos são dispositivos que utilizam ondas mecânicas como o seu mecanismo de interação sensível com analitos. As ondas acústicas são geradas na superfície de um material piezoelétrico, e modificações causadas pelo analito nas propriedades da onda, como por exemplo: velocidade, amplitude ou fase, podem ser quantificadas para mensurar a relação física ou química causada por tal alteração. Nas versões tradicionais de sensores deste tipo, a resposta é proporcional à densidade de analito adsorvido, sendo obtida por meio da contagem de frequência do oscilador com um dispositivo de SAW na realimentação. Para facilitar a contagem de frequência e aumentar a precisão é necessário a utilização de dois canais, sendo o primeiro ¿ canal de referência e o segundo ¿ canal de medidas. Na literatura até o presente momento não existe a implementação de sensor SAW que não possua canal de referência e que não utilize contagem de frequência como resultado. Esse estudo tem como objetivo desenvolver um sensor SAW alternativo, baseado em um único oscilador multimodo, dotado de apenas um canal elétrico e dois caminhos acústicos, que formam uma única malha de realimentação. Essa abordagem se contrapõe aos típicos sensores da mesma família, que possuem dois canais elétricos de referência. No sensor desenvolvido um dos caminhos acústicos utilizado como linha de atraso tem um filme sensível depositado na superfície, que faz o sinal dependente da densidade do analito. A diferença de fase entre os caminhos acústicos determina a existência ou ausência da oscilação no oscilador do sensor, sendo isso utilizado como resposta. No modo " alarme" a oscilação está presente até que a mudança de fase no canal acústico coberto pelo filme sensível a suprima. No modo de "sensoriamento" a oscilação é definida através de parâmetros de ganho de amplificação e da fase de um trocador de fase externo, sendo que uma diferença de fase introduzida pelo analito seja suficiente para que a oscilação seja suprimida. Por meio da tensão de controle utilizada no trocador de fase é possível introduzir uma fase que compense a fase introduzida pela concentração do analito, o que restaura a oscilação suprimida. Essa tensão de controle é utilizada como resposta do sensor proposto. Para validar o conceito desenvolvido neste trabalho, foi fabricado e testado um sensor de umidade relativa (UR) baseado em filmes sensíveis de oxido de grafeno (GO) depositados sobre a superfície da linha de atraso do SAW. O sensor foi testado em regime de "sensoriamento" e "alarme¿, considerando uma faixa de UR de [0-100%]. Foi utilizado uma tensão de controle medida com um erro absoluto de 0,02 V, que corresponde a um erro relativo de 2,8 % . Foi concluído que o novo tipo de sensor sugerido neste trabalho pode ser utilizado para desenvolvimentos de vários novos dispositivos para monitorar ambiente industrialAbstract: The scientific and industrial necessity to detect and quantify precisely analytes is remarkable. For this purpose, countless types of devices are developed. A group in particular has shown considerable performance: the surface acoustic wave (SAW) sensors. Acoustic sensors are devices that use mechanical waves as their mechanism of sensitive interaction with analytes. The acoustic waves are generated on the surface of a piezoelectric material, and changes caused by the analyte in the properties of the wave, such as speed, amplitude or phase, can be quantified to measure chemical or physical relationship caused by such a change. In the traditional versions of this type of sensor, the response is proportional to the density of adsorbed analyte obtained by of counting oscillator frequency with a SAW device in the feedback. To facilitate the frequency count and increase accuracy, the use of two channels is necessary, where the first one ¿ reference channel and the second ¿ measurements channel. In the literature so far, there is no implementation of a SAW sensor that does not have reference channel nor uses frequency count as a result. This study aims to develop an alternative sensor, based on a single multimode oscillator, equipped by only one electric channel and two acoustic paths, which form a single feedback loop, which opposes to the typical sensors of the same family, with two electric reference channels. One of the acoustic paths used as a delay line has a sensitive film deposited on the surface, which makes it dependent on the analyte density. The phase difference between the paths wich determines the presence or absence of oscillation in the sensor oscillator, is used as sensor response. In the "alarm" mode the oscillation is present until the phase shift in the acoustic channel covered by the sensitive film suppresses it. In "sensing" mode the oscillation is defined by gain parameters of amplification and by the external phase of a phase shifter, so that a phase difference introduced by the analyte is enough to suppress the oscillation. By means of the control voltage utilized in the phase shifter, it is possible to introduce a phase that compensates the introduced one by the concentration of the analyte, which restores the suppressed oscillation. This control voltage is used as the response of the proposed sensor. In order to validate the concept developed in this study, a relative humidity (RH) sensor based on sensitive film of graphene oxide (GO) deposited on the surface of the SAW delay line was manufactured and tested. The sensor was tested in "sensing" and "alarm" modes, in the range of UR [ 0-100 %]. The control voltage was measured the absolute error of 0,02V. This value corresponds to the relative error of 2,8 %. It was concluded that the new type of sensor proposed in this study can be used for development of many new devices for monitoring industrial environmentMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétrica134411/2013-7CNP