modelo para resumo expandido - Boletim Técnico da FATEC-SP

SISTEMA ELETRÔNICO DE PRECISÃO PARA A
MEDIDA DE FREQUÊNCIAS EM MICRO-BALANÇAS DE
CRISTAL DE QUARTZO
Eduardo dos Santos Ferreira 1 , Maria Lucia Pereira da Silva 2
1 Prof. Dr. do curso de Materiais da FATEC-SP
2 Profa. Dra. do curso de MPCE da FATEC-SP
ferreira@fatecsp.br, malu@lsi.usp.br
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, f 0 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
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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.
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.
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.
1,0
ganho
(3)
Av
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 ω 1 e ω 2 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.
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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.
8000
diferença
7000
6000
df (Hz)
5000
4000
3000
2000
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.
dm (ug)
60
40
20
0
3998000 4000000 4002000 4004000 4006000
f (Hz)
BT25/Malu
Quim. Nova
Figura 7 – Simulação da resposta em massa do circuito
usando dados das referencias 7 e 9.
Figura 8 – Teste com fluxo de 2-propanol
4. Conclusões
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
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Nanoliter Packages Using Helium Mass
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ADVANCED PACKAGING, VOL. 32, NO. 2,
MAY 2009.
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[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
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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.
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