MÉTODO PARA EL CONTROL DEL TIEMPO DE RESPUESTA DE UN SENSOR DE SUSTANCIAS QUÍMICAS.

Método para el control del tiempo de respuesta de un sensor (1) de sustancias químicas,

comprendiendo dicho sensor (1) un primer pin (2) y un segundo pin (3), al menos una capa de material activo depositado entre dicho primer pin (2) y dicho segundo pin (3), variando dicho material activo su propia impedancia a continuación del contacto con dichas sustancias químicas y en función de su concentración, y un pin de control adicional (4); dicho método proporciona al menos una fase de detección de dichas sustancias químicas correspondiente a una absorción de dichas sustancias químicas por dicho material, y al menos una fase de recuperación de dicho sensor (1) correspondiente a una desabsorción de dichas sustancias químicas por dicho material, siendo aplicada durante dichas fases de detección y de recuperación una señal a dicho pin de control (4), adecuada para solicitar la absorción o la desabsorción de dicho material, variando la duración de las fases de detección y de recuperación respectivas; que se caracteriza porque: dicha señal proporciona una componente de corriente continua (CC) para: - polarizar negativamente dicho pin de control (4) con respecto al material activo durante la fase de absorción, en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita un enlace con dicho material activo del tipo de donante de electrones, o positivamente en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita una unión con dicho material activo del tipo receptor de electrones; - polarizar positivamente dicho pin de control (4) con respecto al material activo durante la fase de desabsorción, en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita un enlace con dicho material activo del tipo de donante de electrones, o negativamente en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita una unión con dicho material activo del tipo receptor de electrones;

El invento presente se refiere a un método para el control del tiempo de respuesta de un sensor de sustancias químicas.

Con más detalle, el invento pertenece a un método de control de un sensor que prevé sustancias activas que por medio del contacto con determinado gas cambian sus características eléctricas propias, 5 por ejemplo, la impedancia. Dicho método puede reducir drásticamente los tiempos de detección/recuperación, manteniendo las características del sensor de una sensibilidad elevada, una baja dependencia de la sensibilidad en comparación con la temperatura, y aunque ha sido estudiado y realizado más particularmente para la detección de dióxido de nitrógeno NO2 o de amoniaco NH3, puede ser usado con cualquier otro gas. 10

La descripción siguiente está dirigida a la detección de amoniaco o de dióxido de nitrógeno, pero resulta muy evidente que la descripción en sí no debe ser considerada como limitadora de su uso específico.

Como es bien conocido, los sensores de sustancias gaseosas usan generalmente algunos materiales sensibles a los gases a ser detectados. La detección puede ocurrir por medio de diferentes 15 fenómenos químico-físicos. Entre estos, la variación de la impedancia del material es corrientemente objeto de atención particular. De hecho, se ha comprobado que materiales semiconductores o capas de nanotubos muestran este fenómeno interesante.

Por lo que respecta a los nanotubos, y particularmente a los nanotubos de carbono, han despertado mucho interés en la comunidad científica desde su descubrimiento debido a sus 20 características electrónicas y mecánicas.

Corrientemente, los nanotubos de carbono son objeto de estudio, especialmente en el campo de la electrónica, biosensores, medicina y de la realización de sensores químicos. Haciendo referencia a esta última aplicación, se ha comprobado que proporciona una serie de ventajas en comparación con otros materiales, entre ellas: 25

• elevada sensibilidad;

• baja dependencia de la sensibilidad con respecto a la temperatura;

• linealidad de la respuesta también para concentraciones bajas.

Los nanotubos consisten en láminas de grafito plegadas. Tienen un diámetro del orden de unos 30 nanómetros (nm) y una longitud también superior a 100 μm. Sustancialmente, forman cables de interconexión muy delgados.

La realización de dichos nanotubos ocurre envolviendo capas de láminas de grafito monoatómico a lo largo de una dirección preestablecida. Dicha dirección determina a la vez el diámetro y la quiralidad. Estas variables determinan la naturaleza semiconductora o conductora de la capa. 35

Como ya se ha dicho, el uso de nanotubos es muy prometedor para los sensores de detección de gas en la actualidad.

De hecho, es conocido que el dopaje de nanotubos de carbono causa variaciones sensibles de la conductancia, incluso en concentraciones de gas de varios cientos de partes por millón (ppm) del mismo gas. 40

Otra variable de diseño relacionada con los nanotubos es el hecho de que pueden ser depositados de una manera aleatoria u ordenada. En general, la sensibilidad da mejor resultado cuando los nanotubos son depositados de una manera ordenada, porque introducen una mayor superficie efectiva.

Como ya se ha mencionado, los sensores con nanotubos son muy sensibles. Un problema técnico común de muchos dispositivos sensores de gas basados en la variación de la impedancia, se refiere a los 45 lentos tiempos de recuperación del mismo sensor. En otras palabras, siguiendo una medida experimental, las moléculas del gas cuya presencia debe ser detectada, permanecen adheridas durante mucho tiempo a las paredes de los nanotubos de carbono, o del material activo del sensor en general. Debe tenerse en cuenta que el tiempo de recuperación resulta en general ser, durante el experimento, del orden de muchas décimas de minutos. 50

Una técnica corrientemente usada para reducir los tiempos de desabsorción de las moléculas del sensor es radiar con luz dichas capas de nanotubos de carbono. Particularmente, se usa luz ultravioleta.

Este sistema, a pesar de que es muy eficiente, tiene mala aplicación en la realización de sensores adecuados para su comercialización, debido a que es muy caro y complejo a la vez. Finalmente, la ingeniería podría no permitir las mismas características de los tiempos de desabsorción. 55

Existen algunas técnicas actualmente en curso que proporcionan la aplicación de un campo eléctrico constante sobre la superficie del material activo, para facilitar la desabsorción de las moléculas detectadas. Este sistema ha demostrado ser más bien eficiente. Sin embargo, el problema de la reducción del tiempo de absorción no ha sido resuelto todavía, este problema es el más importante desde el punto de vista de la aplicación. De hecho, resulta obvio que como función primaria el sensor tiene que ser capaz 5 de percibir un peligro en el tiempo más corto posible, antes de que pueda realizar otra medida.

Parece, por tanto, evidente que el problema técnico de los tiempos de absorción/desabsorción es muy importante para los sensores, principalmente para aumentar las probabilidades de un éxito comercial.

Se muestra un ejemplo de la técnica anterior en la solicitud de patente DE 4442396 A1, que describe un sensor de gas que tiene una capa delgada de silicio para mantener un electrodo de campo de 10 metal precioso o silicio policristalino debajo de una capa de sensor que lleva electrodos interdigitales. Dicho electrodo de campo está aislado del sustrato mediante una capa de dióxido de silicio o nitruro de silicio y del sensor mediante otra capa de óxido. Para conseguir un paso homogéneo del campo eléctrico a través del sensor, un segundo sustrato de silicio dispone de un electrodo metalizado por encima del sensor. Éste está aplicado al primer sustrato por medio de la técnica del "flip-chip" o por un adhesivo 15 conductor de la electricidad. De esta manera, la distancia entre los electrodos de campo y por tanto la separación de aire es minimizada. Mediante la aplicación de voltajes de polarización, la desabsorción del gas es medida rápidamente.

La EP 425119 A1, que de nuevo forma parte de la técnica de última generación, describe un aparato y un método para determinar la concentración de gas polucionante tal como NOx o CO/CH4 en 20 una atmósfera gaseosa tal como aire ambiente.

Por tanto, el objetivo del invento presente es proponer un sensor cuyos tiempos de respuesta, tanto para la absorción como para la desabsorción de las moléculas a ser detectadas, puedan ser controlados fácilmente, permitiendo reducciones sustanciales de esos tiempos.

Otro objetivo del invento es el de obtener dicho control por medio de un dispositivo electrónico o en 25 general por medio del uso de una señal eléctrica.

Un objetivo adicional del invento presente es el de permitir que se detecte la composición de la mezcla de aire a la que está sometido el sensor.

Es por tanto el objetivo específico del invento presente un método para el control del tiempo de respuesta de un sensor de sustancias químicas, comprendiendo dicho sensor un primer y un segundo 30 pines, al menos una capa de material activo depositado entre dicho primero y dicho segundo pines, dicho material activo varía su impedancia propia a continuación del contacto con dichas sustancias químicas y en función de su concentración, y un pin de control adicional; dicho método se caracteriza porque proporciona al menos una fase de detección de dichas sustancias químicas correspondiente a una absorción de dichas sustancias químicas por dicho material, y al menos una fase de recuperación de 35 dicho sensor, correspondiente a una desabsorción de dichas sustancias químicas por dicho material; y porque durante dichas fases de detección y de recuperación se aplica una señal a dicho pin de control, adecuada para solicitar la absorción o desabsorción de dicho material variando la duración de las fases de detección y de recuperación respectivas.

Siempre de acuerdo con el invento, dicha señal puede proporcionar una componente de corriente 40 continua (CC) que:

 polarice negativamente dicho pin de control con respecto al material activo durante la fase de absorción, en caso de que la molécula del gas a ser detectado permita una unión con dicho...

1. Método para el control del tiempo de respuesta de un sensor (1) de sustancias químicas, comprendiendo dicho sensor (1)

un primer pin (2) y un segundo pin (3),

al menos una capa de material activo depositado entre dicho primer pin (2) y dicho segundo 5 pin (3), variando dicho material activo su propia impedancia a continuación del contacto con dichas sustancias químicas y en función de su concentración, y

un pin de control adicional (4);

dicho método proporciona

al menos una fase de detección de dichas sustancias químicas correspondiente a una 10 absorción de dichas sustancias químicas por dicho material, y

al menos una fase de recuperación de dicho sensor (1) correspondiente a una desabsorción de dichas sustancias químicas por dicho material,

siendo aplicada durante dichas fases de detección y de recuperación una señal a dicho pin de control (4), adecuada para solicitar la absorción o la desabsorción de dicho material, 15 variando la duración de las fases de detección y de recuperación respectivas;

que se caracteriza porque:

dicha señal proporciona una componente de corriente continua (CC) para:

- polarizar negativamente dicho pin de control (4) con respecto al material activo durante la fase de absorción, en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita un 20 enlace con dicho material activo del tipo de donante de electrones, o positivamente en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita una unión con dicho material activo del tipo receptor de electrones;

- polarizar positivamente dicho pin de control (4) con respecto al material activo durante la fase de desabsorción, en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita un 25 enlace con dicho material activo del tipo de donante de electrones, o negativamente en el caso de que la molécula del gas a ser detectado permita una unión con dicho material activo del tipo receptor de electrones;

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque dicha señal proporciona 30 una componente de frecuencia.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque dicha señal tiene una frecuencia entre 0 Hz y 100 KHz, adecuada para solicitar las moléculas de dichos tipos gaseosos (8). 35

4. Método de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, que se caracteriza porque dicha señal tiene una frecuencia mayor de 100 KHz, para interactuar con el enlace entre dicho material activo y dichos tipos gaseosos.

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5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 - 4, que se caracteriza porque dicha señal tiene una forma de onda senoidal, una forma de onda cuadrática.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 - 4, que se caracteriza porque dicha señal 45 tiene una forma de onda de impulsos de forma arbitraria.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque dicho material activo comprende materiales nanoestructurados depositados entre dicho primer 50 pin (2) y dicho segundo pin (3), comprendiendo nanotubos dichos materiales nanoestructurados.

8. Método de acuerdo con la reivindicación 7, que se caracteriza porque dichos nanotubos son nanotubos de carbono (7).

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9. Método de acuerdo con la reivindicación 8, que se caracteriza porque dichos nanotubos son del tipo de pared única.

10. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 - 9, que se caracteriza porque dichos nanotubos son depositados de una manera ordenada, de preferencia mediante dielectroforesis. 10

11. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque dicho material activo comprende óxidos metálicos depositados entre dicho primer pin (2) y dicho segundo pin (3).

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12. Método de acuerdo con la reivindicación 11, que se caracteriza porque dichos óxidos metálicos son óxido de estaño (SnO2) y/o óxido de tungsteno (WO3).

13. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque dicho material activo comprende materiales semiconductores orgánicos y materiales orgánico-20 metálicos depositados entre dicho primer pin (2) y dicho segundo pin (3).

14. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque dicho sensor incluye una capa aislante (6), por encima de la cuál están situados dicho primer pin (2) y dicho segundo pin (3), y por debajo de la cuál está situado dicho pin de control. 25

15. Método de acuerdo con la reivindicación 14, que se caracteriza porque dicha capa aislante (6) comprende dióxido de silicio (SiO2) o cristal.

16. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque 30 dicho primer pin (2) y dicho segundo pin (3) están interdigitados.

17. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza porque dichas sustancias químicas incluyen dióxido de nitrógeno NO2 o amoniaco NH3.