DETECTOR DE RASTROS QUIMICOS ELECTRONICO.

Detector de rastros químicos de placa calentadora (1), que comprende:

- una placa calentadora conductora (2) que comprende un elemento calentador (4) que tiene una característica de potencia - temperatura predeterminada

- un circuito de equilibrado (20) que comprende una resistencia ajustable (21) para regular el elemento calentador (4) según un valor de resistencia predefinida (21);

- un procesador (6) para regular la resistencia ajustable (21) con el fin de obtener una temperatura estabilizada en dicha placa conductora calentadora (2); - un circuito de detección (7) para detectar un cambio de resistencia en la placa conductora calentadora (2) en función de la presencia de un rastro químico que reaccione en presencia de la placa conductora (2);

caracterizada por

- un circuito de prueba (23) para medir una potencia de disipación en el elemento calentador (4) y para calcular una temperatura real a partir de la potencia de disipación en el elemento calentador (4) sobre la base de la característica de potencia-temperatura predeterminada

Detector de rastros químicos electrónico.

La presente invención se refiere a la detección de rastros en un entorno, en concreto, a la detección de rastros de sustancias químicas volátiles en el aire.

En la técnica se viene usando equipo costoso para suministrar instrumentos de detección que, además, ocupan demasiado espacio, puesto que las condiciones de laboratorio deben ser similares a fin de garantizar resultados fiables. Existen detectores que se usan como detectores de campo y que tienen un tamaño más económico, pero que requieren una costosa técnica de calibrado que impide la producción en masa convencional de dichos artículos. Por consiguiente, el uso de este tipo de detectores no está tan extendido como debiera, ya que el coste de la mayoría de aplicaciones resulta prohibitivo.

En la técnica, un sensor de detección usa tecnología de micro-placa calentadora, que es un sensor semiconductor sobre una micro-placa calentadora donde se producen reacciones químicas de los rastros que hay que detectar. Más concretamente, dicho detector de tipo MOS explota las variaciones de resistencia eléctrica del sensor mientras, a determinada temperatura de calentamiento, tiene lugar una reacción redox en la superficie del sensor.

Sin embargo, dicha tecnología de micro-placa calentadora es muy sensible a las variaciones de temperatura, por lo que es de una importancia primordial facilitar la detección de los rastros a una temperatura predeterminada. Concretamente, la resistencia del calentador es dependiente de la temperatura, lo que implica que hay que efectuar ajustes puntuales para garantizar una temperatura estable. Esto puede hacerse mediante un circuito de equilibrado que mantiene estable la resistencia del calentador conforme a un valor de resistencia predeterminado.

En la patente de E.E.U.U. nº 4,847,783 se da a conocer un circuito de equilibrado que comprende una resistencia ajustable para regular el elemento calentador según un valor de resistencia predeterminado. El elemento calentador acciona un elemento de resistencia de platino dotado de una característica de resistencia-temperatura predeterminada. No obstante, en la práctica, aunque los elementos de resistencia de platino pueden mostrar una conducta de temperatura casi perfectamente lineal, la temperatura puede variar de una muestra a otra porque los desfases de estos elementos también pueden variar considerablemente. De este modo, ajustando previamente el elemento calentador a un valor predeterminado, se consigue una temperatura precisa repetible, pero desconocida.

Por consiguiente, para sensores diferentes, se puede detectar una sustancia química determinada a temperaturas variables producidas por los diferentes desfases de los elementos calentadores, que pueden dar origen a resultados de detección diferentes según los diversos sensores. Por lo tanto, la relación de temperatura es fundamental para conseguir un sensor fiable con resultados repetibles a partir de los cuales se puedan acoplar los resultados del sensor a una base de datos normalizada que comprenda huellas de composiciones o sustancias químicas identificadas. Sin embargo, una configuración de calibrado individual donde cada sensor se somete a prueba en ambientes de temperatura y gas acondicionados es muy engorrosa.

Por una parte, es deseable suministrar un sensor en el que no haya que realizar engorrosas operaciones de calibrado individual. Por otra parte, es deseable suministrar un sensor sólido y estable que suministre datos reproducibles y que pueda producirse a un coste relativamente reducido.

En consecuencia, se suministra un sensor con arreglo a las características de la reivindicación 1. Concretamente, la invención suministra, en un sensor del tipo descrito más arriba, un circuito de prueba para medir la potencia de disipación en el elemento calentador y para calcular la temperatura real a partir de la potencia de disipación en el elemento calentador sobre la base de la característica de potencia-temperatura predeterminada. Por consiguiente, se puede conseguir una desviación de menos de 1-1,5ºC con respecto a una temperatura preestablecida mediante componentes estándar. Así pues, es posible suministrar un sensor de bajo coste que se pueda reconfigurar fácilmente en condiciones neutras. Esto se puede hacer normalmente en la configuración de fábrica o, mejor dicho, lo puede hacer un usuario que necesite reconfigurar el sensor en un determinado ambiente de gas acondicionado. De esta forma se suministra un dispositivo de calibrado automático instalado en el sensor, el cual, colocado en un ambiente neutro, puede regular fácilmente la resistencia ajustable para obtener una temperatura real.

En la descripción adjunta se apreciarán más características y ventajas en conjunción con las ilustraciones:

En la Figura 1 se muestra un diseño típico del sensor de gas con arreglo a la invención;

En la Figura 2 se muestra una respuesta característica de un sensor de óxido metálico apto para calentarse y que está expuesto a una variedad de composiciones o sustancias químicas en concentraciones variables;

En la Figura 3 se muestran diagramas de resistencia - temperatura medidas de tres sensores de placa calentadora;

En la Figura 4 se muestra una materialización preferida del concepto inventivo, y

En la Figura 5 se muestran las relaciones potencia - temperatura para los mismos elementos calentadores que en la Figura 3.

Volviendo a la Figura 1, en ella se muestra un diseño típico de detector de rastros químicos 1 que usa una placa conductora 2 apta para calentarse, conocida también como sensor de placa calentadora 2. El sensor de placa calentadora 2 va provisto normalmente de un elemento sensor de óxidos metálicos 3 que es sensible a las reacciones químicas que tienen lugar cerca de la zona de la superficie del sensor y que se halla en estrecha relación espacial con un elemento calentador 4. Dicho elemento sensor 3 muestra en concreto las variaciones en la conductancia dependiendo de los rastros químicos que reaccionan cerca de la zona expuesta de la superficie 5 de la misma. Se conocen diversos elementos sensores de óxidos metálicos 3, entre ellos, pero no sólo ellos, los sensores de óxido de estaño, óxido de zinc, óxido de hierro y óxido de tungsteno con o sin catalizador añadido, incluidos el platino y el paladio, entre otros.

La placa calentadora 2 se calienta por medio de un elemento calentador 4 que preferiblemente va unido a la misma en estrecha vecindad con el elemento sensor 3 producido por tecnología MEMS (micro electrical mechanical systems), con lo que se garantiza una temperatura idéntica del elemento sensor conductor 3 y el elemento calentador 4. Dicho elemento calentador 4 tiene una masa térmica baja y es controlado por procesador 6 para suministrar una temperatura estabilizada en dicho elemento sensor 3. Normalmente esto se consigue mediante un circuito de equilibrado que usa un puente de Wheatstone, como se explica más adelante en relación con la Figura 4.

Además, el elemento sensor 3 va conectado a un circuito de detección 7 para detectar un cambio de resistencia en el elemento sensor 3 en función de la presencia de un rastro químico que reaccione en presencia de la placa conductora. La salida del circuito de detección 7 en conexión con una temperatura preestablecida suministrada por el procesador 6 se almacena en un elemento de memoria interna 8 del detector, que puede ser cualquier tipo de memoria, pero que suele ser una memoria flash.

En el elemento de memoria 8 se puede almacenar, entre otros, una serie de valores de resistencia detectados en el circuito de detección relativos a una serie de temperaturas preestablecidas con el fin de formar la huella de una serie de sustancias químicas 9 que sean detectadas por la placa calentadora 2 mediante la exposición de dicha placa calentadora a una corriente de gas 10. Como alternativa, se puede someter la placa calentadora a aire estancado.

En la materialización que se muestra, se almacenan los resultados en el elemento de memoria 8 para transmitirlos por un terminal de comunicación 11 a una estación base 12 que comprende una base de datos para almacenar huellas de sustancias químicas predeterminadas. De este modo se pueden comunicar las huellas almacenadas a la estación base 12 que comprende una base de datos 13 con el fin de suministrar la pareja idónea 14 de cualquiera de dichas huellas almacenadas en el elemento de memoria 8 a cualquiera de las huellas almacenadas en la base de datos 13 de las sustancias químicas conocidas. De...

1. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1), que comprende:

caracterizada por

2. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según la reivindicación 1, en el que el circuito de prueba (23) puede estar conectado a un circuito de calibrado para suministrar un tabla de consulta al procesador (6) con el fin de obtener valores de resistencia preestablecidos (21) que permitan suministrar temperaturas reales predeterminadas a dicho elemento calentador (4).

3. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según la reivindicación 1 ó 2, en el que el circuito de prueba (23) se halla acoplado a un procesador (6) para calcular una energía de reacción de disipación del rastro químico en forma de diferencia entre la potencia de entrada medida y una potencia de entrada calculada a partir del valor de resistencia preestablecida (21) tras el calibrado.

4. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el procesador (6) está configurado para que suministre una temperatura móvil al elemento calentador (4).

5. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el circuito de prueba (23) comprende un par de bornes de prueba (24) que se conectan directamente a los bornes del elemento calentador (4).

6. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sensor comprende una memoria (8) para almacenar al menos una pluralidad de valores de resistencia detectados en el circuito de detección (7) en relación con una pluralidad de temperaturas preestablecidas para formar la huella de un cierto número de sustancias químicas.

7. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según la reivindicación 6, en el que el sensor comprende un borne de comunicación (1) para remitir las huellas almacenadas a una base de datos (13) donde se almacenan las huellas de sustancias químicas predeterminadas con el fin de conseguir una mejor correspondencia de (14) de dichas huellas con una de dichas huellas almacenadas y determinar así una sustancia química detectada en particular.

8. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1) según la reivindicación 6, en el que el sensor comprende un circuito de comparación para comparar una huella almacenada con un conjunto predeterminado de huellas previamente almacenadas de sustancias químicas predeterminadas con el fin de determinar una sustancia química detectada en particular.

9. Detector de rastros químicos de placa calentadora (1), en el que la placa conductora calentadora (2) comprende un sensor MOS.

10. Proceso de calibrado de un detector(1) de rastros químicos de placa calentadora (1) que comprende las siguientes etapas:

11. Proceso según la reivindicación 10, en el que dicho proceso comprende además la utilización de una característica estimada de resistencia - temperatura de la placa calentadora para preestablecer valores de resistencia predeterminados de la resistencia ajustable (21).