Diseño y fabricación de cámara para medir resistencia en materiales sensores de gas

Abstract

La preocupación por el impacto ambiental y los riesgos para la salud debido a emisiones de gases ha impulsado el interés en detectar y controlar sustancias químicas nocivas. A pesar de los avances tecnológicos que han permitido sistemas más pequeños e integrados, existe una necesidad de sensores aún más compactos y eficientes para operar en condiciones adversas y detectar una amplia gama de especies químicas. Los sensores de gas desempeñan un papel crucial en diversas industrias al permitir la medición precisa de la presencia y concentración de gases específicos. Funcionan midiendo cambios en propiedades o estados del analito a través de interacciones químicas o físicas, lo que genera una señal que se convierte y procesa en forma de datos. Los sensores de óxidos metálicos semiconductores (SMOX) operan según el principio quimioresistivo, donde la interacción con gases provoca cambios en la resistencia del semiconductor. En este ámbito, el propósito de esta tesis es diseñar una cámara que permita el análisis de películas nanométricas de óxidos semiconductores, como el dióxido de estaño (SnO2), que actúan como sensores. Esto implica la simulación y fabricación de la cámara y el sensor, compuesto por electrodos interdigitalizados y un calefactor separado por un material dieléctrico. Para el diseño de la cámara se realizaron simulaciones utilizando el software COMSOL Multiphysics®, considerando perfiles de flujo y variables de velocidad y presión. Se determinó que la configuración óptima incluye un sector de prueba con una longitud de 10 [cm] y 21 perforaciones en el corte transversal que conecta la entrada de gases con el sector de medición. También se verificó la viabilidad de realizar mediciones simultáneas con 3 sensores. La fabricación y montaje del sensor se llevó a cabo en cuatro macroetapas: preparación del sustrato, realización de moldes, desarrollo de recubrimientos y montaje del sistema. Cada una de estas etapas implicó una serie de pasos intermedios, con especial énfasis en la implementación de la técnica de litografía óptica y pulverización catódica. También cabe resaltar la importancia del proceso de recocido previo en los sustratos de alúmina utilizados, ya que garantiza condiciones de rugosidad relevantes para la calidad de los sensores y los resultados de las mediciones subsiguientes. Se concluye que el trabajo realizado sienta las bases para el desarrollo y prueba de la cámara para medir la resistividad en materiales sensores de gas. Se ofrecen pautas y técnicas reproducibles para la fabricación de sensores y se aporta conocimiento esencial sobre el comportamiento fluidodinámico en el sistema de medición y su influencia en las mediciones de los sensores. Este aporte es valioso para el campo de la detección de gases y la caracterización de materiales sensores.