6.3.1 Introdução
Os sensores de massa baseados nas cerâmicas piezoeléctricas caracterizadas anteriormente na tabela 3.2 foram testados, tanto em meio líquido como em meio gasoso, a fim de se escolher o que apresentava melhores resultados em termos de sinal analítico, para posteriormente servir de comparação com as microbalanças de cristais piezoeléctricos de quartzo, polido e não polido.
Cada um dos sensores cerâmicos foi ligado ao analisador de impedâncias, referenciado no capítulo 4, e monitorizou-se a impedância em função da frequência. De acordo com as especificações do HP4395A, o aparelho permitia um varrimento de frequências desde 100 kHz até 500 MHz. A figura 6.4 apresenta um gráfico da impedância em função da frequência para um disco cerâmico de PZT, no intervalo máximo de frequências permitido pelo HP4395A.
Figura 6.4 Impedância em função da frequência para um disco cerâmico de PZT, desde 100 kHz a 500 MHz.
A figura 6.4 mostra que o intervalo escolhido para a análise da impedância em função da frequência se revelou muito grande, sendo necessário apertar o intervalo de frequências para se poder estudar o comportamento da impedância. Fazendo varrimentos de impedância em função da frequência para intervalos de 10 MHz, foi possível detectar variações na impedância.
Em todos os casos só se observaram variações na impedância abaixo de 10 MHz. Verificou-se ainda experimentalmente que todas as cerâmicas apresentavam variações na região de 100 kHz a 1 MHz, e entre 3 MHz e 8 MHz. A figura 6.5 mostra uma série de sinais provocados pela variação da impedância observados em todas as cerâmicas na zona de MHz. O gráfico superior dá-nos a impedância em função da frequência, enquanto o gráfico inferior dá a variação da fase em função da frequência, sendo a escala do eixo dos xx (frequências) comum a ambos os gráficos. O gráfico superior (impedância) apresenta uma escala logarítmica enquanto que o gráfico inferior (fase) apresenta uma escala normal.
Figura 6.5 Impedância e fase em função da frequência para um disco cerâmico de PZT, desde 3 MHz a 5 MHz.
Os múltiplos modos de vibração observados a figura 6.5 são indesejados, traduzindo- se na dificuldade em seguir as alterações de um sinal principal individualizado. Como todos os discos cerâmicos apresentavam comportamento semelhante no intervalo de frequências em que se pretendia trabalhar, independentemente da composição de cada cerâmica, optou-se por monitorizar a primeira variação de impedância, na zona de kHz. Nesta região de frequências os picos de impedância são bem definidos, como se observa na figura 6.6.
Figura 6.6 Impedância e fase em função da frequência para um disco cerâmico de PZT, desde 1 kHz a 1 MHz.
Na figura 6.6 observa-se que após o pico de impedância principal (fundamental), existem um conjunto de picos mais fracos, correspondentes a outras oscilações do sensor. Estas vibrações são por vezes desejadas, uma vez que permitem a utilização do sensor piezoeléctrico para frequências mais elevadas, sem ser necessário reduzir a espessura. Neste trabalho, apenas foi utilizado o primeiro pico de variação de impedância, uma vez que se trata do pico mais intenso e melhor definido.
6.3.2 Detecção da frutose em solução
Os sensores de massa baseados nas cerâmicas piezoeléctricas de PZT foram testados na análise da frutose em solução, utilizando para tal o método passivo de monitorização de frequências em meio líquido, descrito no capítulo 4. Na tabela 6.4 são apresentados os valores da variação de frequência à impedância mínima, obtida para duas soluções de frutose, de 5% e 30% (massa/massa). Escolheu-se monitorizar a frequência à impedância mínima uma vez que se tinha concluído, nos estudos efectuados com os cristais piezoeléctricos de quartzo no capítulo 5, que esta frequência dava origem ao sinal analítico mais elevado, sendo por isso a mais adequada para medições quantitativas.
Tabela 6.4 Análise da frutose em solução com sensores de massa baseados nas cerâmicas de PZT. Discos de cerâmica 5% frutose ? fn (Hz) 30% frutose ? fn (Hz) PZT 1 142 599 Mn-PZT 2 56 205 Mn-PZT 3 78 369 Nb-Mn-PZT 1 82 361 Nb-Mn-PZT 7 196 692 P841 1 139 590
A tabela 6.4 mostra que o sensor baseado na cerâmica Nb-Mn-PZT 7 deu origem ao sinal analítico mais elevado, dando um ?fn máximo de 196 e de 692 Hz, para uma solução de frutose a 5% e 30% (massa/massa), respectivamente. Todos os sensores testados reagiram à variação da concentração da frutose em solução, com maior ou menor sensibilidade, como se verifica pela variação de frequências monitorizadas.
Relacionando as respostas de todos os sensores apresentados na tabela 6.4, com as características de cada cerâmica, apresentadas na tabela 3.1, capítulo 3, verifica-se que, ordenando-as pela sensibilidade ou pela densidade se obtém a mesma ordenação, ou seja, quanto maior a densidade da cerâmica, maior o sinal analítico que ela apresenta na detecção da frutose, aparecendo a Nb-Mn-PZT 7 como a cerâmica
6.3.3 Detecção da s-butilamina em meio gasoso
Para testar os sensores baseados nas cerâmicas piezoeléctricas de PZT em meio gasoso, optou-se pela s-butilamina. Esta escolha teve como base o trabalho de investigação realizado anteriormente por Gomes et al. [8], no qual foi possível a detecção deste composto, através da adsorção da amina pelo eléctrodo de ouro, sem ser necessário revestir a superfície do sensor com um composto específico à amina. A interacção entre a amina e o ouro é reversível, dando-se rapidamente a recuperação da frequência inicial do sensor após a dessorção da amina, através da passagem de um fluxo contínuo de azoto que limpa a superfície do sensor.
Seguindo o procedimento descrito no capítulo 4 foram injectadas quantidades de 30 e 80 ?L de s-butilamina e monitorizou-se a variação da frequência em série. O trabalho de Gomes et al. [8] foi realizado utilizando o método do oscilador, apenas permitindo a medição de fs. Neste caso optou-se também pela monitorização de fs, mas utilizando o método passivo. A tabela 6.5 apresenta os valores do decréscimo da frequência de ressonância em série, fs, obtidos na detecção da s-butilamina, para os sensores cerâmicos testados anteriormente na análise da frutose em solução.
Tabela 6.5 Análise de s-butilamina em meio gasoso com sensores de massa baseados em cerâmicas de PZT. Discos de cerâmica 30 ? L s-butilamina ? fs (Hz) 80 ? L s-butilamina ? fs (Hz) PZT 1 62 104 Mn-PZT 2 16 48 Mn-PZT 3 30 97 Nb-Mn-PZT 1 29 95 Nb-Mn-PZT 7 56 119 P841 1 56 99
Na tabela 6.5 verifica-se que o sensor de massa baseado na cerâmica Nb-Mn-PZT 7 apresentou o maior sinal analítico com um ?fs de 119 Hz para um volume de 80 ?L de s-butilamina. Todos os sensores testados reagiram ao volume de s-butilamina
injectado, com maior ou menor sensibilidade, como se verifica pela variação de frequências monitorizadas.
Relacionando as respostas de todos os sensores de massa, com as características de cada cerâmica, apresentadas na tabela 3.1, capítulo 3, podemos verificar novamente que se observa uma relação entre a sensibilidade de cada sensor de massa e a correspondente densidade, sendo a cerâmica mais densa a que apresenta a maior sensibilidade na detecção da amina e a menos densa a que apresenta a menor sensibilidade para a amina.
6.3.4 Conclusões
Deste estudo podemos concluir que a densidade da cerâmica utilizada como sensor de massa se revela como um dos parâmetros importantes para a obtenção de uma boa sensibilidade por parte do sensor de massa.
? A cerâmica Nb-Mn-PZT 7, que apresentou a maior densidade, deu origem ao sensor de massa com os sinais analíticos mais elevados, tanto na análise em meio gasoso, na detecção da s-butilamina, como na análise da frutose em solução.
Contudo, não podemos afirmar que é o único parâmetro a ter influência na resposta do sensor de massa, uma vez que estamos a considerar composições diferentes e condições de sinterização diferentes.