Introducción
Los sensores de gas desempeñan un papel vital entre las aplicaciones tecnológicas más importantes en la cotidianidad actual. Los usos típicos de sensores de gas incluyen la detección de compuestos tóxicos y gases explosivos con fines de seguridad pública y doméstica, procesos industriales, el monitoreo de la contaminación ambiental y, más recientemente, en el diagnóstico de enfermedades de diverso tipo, la identificación del grado de maduración de frutos comestibles o la detección de pestes en los cultivos (Dey, 2018 ; Korotcenkov y Cho, 2017; Miller, Akbar y Morris, 2014; Mirzaei, Leonardi y Neri, 2016; Lamagna et al., 2008; Vorobioff et al., 2018).
Entre los diversos tipos de sensores de gas, los resistivos son los más atractivos debido a la facilidad de fabricación, operación simple, bajo costo de producción y miniaturización (Barsan, Koziej y Weimar, 2007; Korotcenkov, 2007; Franke, Koplin y Simon, 2006; Acosta Pérez, Suárez Castrillón y Suárez Castrillón, 2016). Un sensor de gas resistivo típico contiene una película de detección activa, cuya conductividad es altamente sensible a las sustancias presentes en los ambientes circundantes. El primer dispositivo comercial de sensor de gas fue desarrollado en la década de 1960 utilizando óxido de metal como la capa de detección (Ihokura et al., 1994).
Desde entonces, la investigación en esta materia tuvo como objetivos mejorar la sensibilidad, la selectividad, la velocidad (respuesta y tasa de recuperación) y la estabilidad del sensor. El desarrollo en sensores de gas logró un progreso significativo impulsado por la nanociencia y la nanotecnología emergentes (Xu et al., 2018; Zhang, Liu, Neri y Pinna, 2016; Hoa, Duy, El-Safty y Hieu, 2015). Por otra parte, las crecientes necesidades de dispositivos pequeños requieren de la miniaturización de los sistemas de análisis. Esta ofrece beneficios no solamente económicos (la fabricación en serie cuesta menos), sino también la reducción de tamaños de muestra para análisis, portabilidad y consumo de reactivos.
La sensibilidad del sensor (S), definida como Ra/Rg ó Rg/Ra -donde Ra y Rg son resistencia eléctrica en aire y gas, respectivamente-, puede ser altamente dependiente del tamaño de grano (D) del óxido metálico, cuando el tamaño del grano es comparable a 2L -donde L es el espesor de la región de vaciamiento de electrones-. Cuando D es mucho mayor que 2L, solo el borde de grano está sujeto a la formación de la región de vaciamiento de electrones, lo que significa que el efecto de detección en superficie no afecta mucho a la resistencia del sensor (R). Para D ≤ 2L, la mayor parte del grano o todo el grano se agota de electrones. En este caso, la resistencia del sensor es muy sensible para la detección, resultando así que la sensibilidad es altamente dependiente del tamaño del grano (Yamazoe, 1991). Junto con el tamaño de partícula, otras características microestructurales de los semiconductores de óxidos metálicos, como la morfología y la porosidad, también tienen influencia sobre la sensibilidad y la velocidad de respuesta del sensor, debido al ordenamiento de los átomos en ciertas caras del cristal, el aumento del área superficial y una mejor difusión del gas (Wagner et al., 2013; Lee, 2009).
Otro requerimiento importante de los sensores de gas es el funcionamiento de forma altamente precisa y selectiva con el fin de satisfacer las demandas de aplicaciones versátiles. Hasta el momento, se han desarrollado numerosas estrategias para mejorar la selectividad del sensor para un determinado gas, entre las que se cuentan la fabricación de nanocompuestos, la funcionalización de la superficie, el diseño de heteroestructuras (Vargas, 2018; Kaushik et al., 2015; Miller, Akbar y Morris, 2014; Alenez, Henley, Emerson y Silva, 2014) la utilización de zeolitas, etc.
Las características del sensado se relacionan con las reacciones, térmicamente activadas, entre las especies a ser detectadas, las partículas de la película sensora y las adsorbidas previamente. Estas reacciones conducen a una variación de la conductividad de la película, conducida al exterior por contactos y conductores eléctricos. Para optimizar la respuesta del dispositivo, en general se prefiere operar la película sensora a una temperatura controlada y uniforme elevada, normalmente de varios cientos de grados centígrados. A fin de mantener el consumo eléctrico dentro de niveles aceptables (<100 mW), es usual ubicar o integrar los calefactores y películas sensoras sobre una plataforma aislada térmicamente del sustrato portante del dispositivo.
En el presente trabajo se describe el desarrollo de un proceso de microfabricación para obtener un sensor de gas de película delgada con reducido consumo de potencia eléctrica.
Metodología
El sensor propuesto se basa en una plataforma calefactora micromaquinada térmicamente aislada, dentro de la cual se integran los microcalefactores y los contactos eléctricos sobre los cuales descansa la película sensora. La plataforma se realizó mediante una película dieléctrica suspendida, sobre la cual se depositaron las termorresistencias que componen el calefactor y los contactos eléctricos de la película sensora. La suspensión de toda la estructura ofrece la aislación térmica necesaria.
El microsensor de gas que se desarrolló está constituido por una película delgada de SnO2 depositada sobre un sustrato de silicio micromaquinado. Esta película se encuentra calefaccionada térmicamente por un microcalefactor integrado en el microsensor para obtener una temperatura comprendida entre 200oC y 400oC.
Diseño y proceso de microfabricación propuesto
Para el diseño del sensor se tuvieron en cuenta dos aspectos: lograr la mayor cantidad de sensores por oblea de silicio y que el proceso de microfabricación tuviera el menor número de pasos posibles.
Para analizar el diseño propuesto (figura 1) se realizaron dos tipos de simulaciones:
Mecánica: rigidez estructural, tamaños máximos y mínimos de estructuras suspendidas. Análisis de sensibilidad a las variaciones de los parámetros.
Térmica: distribución de temperaturas y potencias eléctricas involucradas.
El proceso de fabricación está constituido por doce pasos que abarcan desde el depósito de la fotorresina hasta el encapsulado de los sensores individuales.
La totalidad de la estructura propuesta se pudo realizar con el equipamiento y personal disponible en la sala limpia del Departamento de Micro y Nanotecnología, Centro Atómico Constituyentes, CNEA, Argentina.
Resultados
El proceso de microfabricación se llevó adelante de forma satisfactoria (no se detallan todos los pasos en el presente trabajo), logrando una alta tasa de sensores bien conformados por oblea (figura 2, a y b).
Posteriormente se cortó la oblea para obtener los sensores individuales (dicing). Esta etapa constituyó uno de los pasos críticos, dado que se produce una alta tasa de ruptura de las películas suspendidas.
Los sensores individuales bien conformados luego del dicing fueron montados en encapsulados (figura 3).
Caracterización eléctrica
Se realizó la caracterización eléctrica de los sensores utilizando una estación de prueba (figura 4) que permite medir los sensores individuales antes de realizar el encapsulado. En esta etapa se estudió la respuesta del calefactor midiendo la resistencia eléctrica frente a valores de tensión aplicada entre 0,1V y 5V.
A continuación se presentan una serie de mediciones para determinar la temperatura del sensor según la tensión aplicada al calefactor, sobre un sensor en particular:
Tensión [voltios] | Resistencia [(] | Temperatura [oC] |
0,1 | 324 | 25 (T ambiente ) |
1,0 | 342 | 30 |
1,5 | 361 | 45 |
2,0 | 382 | 62 |
2,5 | 404 | 81 |
3,0 | 427 | 101 |
3,5 | 450 | 123 |
4,0 | 472 | 143 |
4,5 | 494 | 158 |
5,0 | 516 | 180 |
Fuente: elaboración propia.
De esta manera se puede regular el calentamiento de la película sensora al variar la tensión aplicada al calefactor.
Simultáneamente, durante las mediciones, en el microscopio se registraron las modificaciones superficiales que se producen durante el calentamiento al aplicarse las diferentes tensiones. La película sensora se encuentra suspendida sobre una membrana de nitruro de silicio (en color violáceo en las fotos), cuyo espesor es de alrededor de 250 nm. Los cambios observados hacia una tonalidad más oscura al aumentar la tensión eléctrica, corresponden a deformaciones mecánicas de la membrana como resultado del calentamiento local, respecto de la periferia, más fría (figura 5).
Caracterización frente a gases
Luego de ser encapsulados, se llevó a cabo la caracterización de los sensores, para lo cual se evaluó su respuesta en un banco de gases. Para ello se colocó cada sensor dentro de una cámara con un volumen aproximado de 75 cm3. Como gas portador, se inyectó aire sintético a un caudal controlado de 80 cm3/min que a su vez constituye la línea de base.
A continuación se presentan los resultados correspondientes a un sensor ya encapsulado. Las mediciones fueron realizadas aplicando una tensión de 5 V al calefactor, obteniendo potencia disipada entre 44 y 49 mW. La temperatura de operación de la película sensora en estas condiciones es de 180 °C aproximadamente. Por otra parte la película sensora está conectada a un potencial 1 V. Se mide entonces la respuesta del sensor como la variación de la resistencia eléctrica en función del tiempo de respuesta. Los resultados se presentan en la figura 6.
Conclusiones
Se desarrolló un proceso para fabricar un microsensor de gas de SnO2 con un consumo del orden de 50 mW.
De acuerdo con los objetivos propuestos, se llevó a cabo la fabricación de los microsensores de manera satisfactoria. Dentro de los pasos de fabricación la etapa crítica a mejorar es la de corte de la oblea en dices (sensores individuales), dada la alta tasa de ruptura de las membranas suspendidas.
En relación a trabajos futuros, la plataforma micromaquinada, con el calefactor incorporado, permite utilizar distintas películas sensoras, lo que ofrece una amplia variedad de aplicaciones, a requerimiento de instituciones públicas o privadas.