5/4/2016. Sensores. Aula 5 Sensores. Classificação dos Sensores. PSI 5100 Dispositivos Eletrônicos Poliméricos

Aula 5 – Sensores

Fernando Josepetti Fonseca Universidade de São Paulo Escola Politécnica

Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos

Sensores

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 2/39 “Um sensor é um dispositivo que recebe um estímulo e responde com um sinal elétrico.”*

*Jacob Fraden – Handbook of Modern Sensors – Physics, Designs and Applications

“A proposta de um sensor é responder a algum tipo de propriedade física de entrada (estímulo) e converte-lo em um sinal elétrico que é compatível com circuitos eletrônicos. Nós podemos dizer que um sensor é um tradutor de um valor geralmente não elétrico em um valor elétrico.”*

Classificação dos Sensores

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 2/39 Quanto ao material:

*Jacob Fraden – Handbook of Modern Sensors – Physics, Designs and Applications

Inorgânico e Orgânic:o

Condutor, semicondutor, substância biológica, Isolante, líquido, gasoso ou plasma, outros.

Físico, químico ou biológico: Quanto ao fenômeno de conversão:

Transformação química, transformação física, Espectroscopia do processo eletroquímico. Transformação bioquímica, transformação física, Espectroscopia de efeitos sobre organismo teste.

Químico Biológico

Classificação dos Sensores

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 2/39 Quanto à especificidade dos sensores:

*Jacob Fraden – Handbook of Modern Sensors – Physics, Designs and Applications

Específico, Semi-específico e Não - específico

5

Sensores Químicos

• Dispositivos que convertem informação químicaem um

sinal analiticamente mensurável (ótico, elétrico, etc);

• Aplicações: controle de qualidade de alimentos e bebidas; análises clínicas; meio-ambiente; segurança;

• Atrativos:tempo curto de análise, tamanho reduzido, facilidade de operação, possibilidade de fazer a medição e obter o resultado no local;

• Classificação1_:

– Específicos; – Semi-específicos;

– Não-específicos

1segundo a especificidade do sensor pelo analito

6

Sensores Químicos específicos

• Um único sensor é suficiente;

Altíssima sensibilidade ao analito a ser

detectado.

Apresentam especificidade pelo analito a

ser detectado (amônia O

2

, CO, CO

2

, etc);

PAni sensor element with interdigitated electrodes

Sensor de Amônia

3 4 5 6 7 8 9 60 50 40 30 20 10 0 40ppm 30ppm 20ppm 10ppm PAni/ NiTsPc 40 bicamadas

amostra 1 R es is tê nc ia ( ki lo o hm s) tempo (minutos) Polianiline and Polianiline-Ftalocianines

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 26/39

Sensor de PH

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 25/39 Controle de PH de Aquários

Irradiação com baixas doses de Raios gama. 300 350 400 450 500 550 600 0,0 0,3 0,6 1,0 1,3 1,6 Bolsas de Sangue, 40 Gy 140 Gy Inicial A b so rb ân ci a, u .a . Comprimento de Onda, nm

Bolsas de sangue γγγγ-Radiação Controle de esterilização

em hospitais 140 Gy ……….0

Dosímetro

Radiação Gama – Aplicação em Cobaltoterapia

Strain Gage

Polyvinyl-idene fluoride (PVDF) depositado por silk screen sobre

substrato de Alumina

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos 27/39

Arshak Sens Act 79 (2000) 102-11

ou GF = gage factor

onde

11

Sensores Químicos

não-específicos

• não

apresentam especificidade pelo

analito a ser detectado;

respondem para diferentes tipos de analitos com diferentes níveis de sensibilidade; são de custo inferior aos demais sensores

químicos.

O sistema gustativo não realiza a detecção individual das substâncias

*http://www.ciadaescola.com.br/zoom/imprimir_materia.asp?materia=291

O Paladar e a Seletividade Global

⇓ ⇓ ⇓ ⇓ Decodifica as informações químicas em grupos de sabores básicos (doce, salgado, amargo, azedo, umami) ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ “Seletividade Global”

Língua Humana

Sensibilidade Global

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Patente Internacional / Embrapa-USP

2001 Premio Governador do Estado – Invento Brasileiro

Língua Eletrônica de polímeros

condutores (Brasil, 2001)

Princípios de trabalho de sensores químicos

Sensores não específicos Arranjo de Sensores Análise multivariada de dados Necessita “degustar/cheirar”

analitos padrões Realização comparação de

desempenho

Correlação com análise sensorial

- Língua Eletrônica (Electronic Tongue) - Nariz Eletrônico (Eletronic Nose)

- ET + EN Seletividade Global Específico Sensor Específico Um único sensor Análise quantitativa - Amônia - Radiação UV and Gama

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos The Analyst 132 (2007) 963-978

“Impressão digital”

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos

Arranjo de sensores não-específicos + análise multivariada

⇓

Impressão digital

dos líquidos

0.00E+00 4.00E-08 8.00E-08 1.20E-07 1.60E-07 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 SENSORES C ( F ) maracujá maracujá light uva goiaba Impressões digitais de sucos de diferentes frutas, obtidas com a LE

“Impressão digital” dos analitos

1 2 3 4 5 6 0,0 1,0x10-6 2,0x10-6 3,0x10-6 4,0x10-6 5,0x10-6 6,0x10-6 5 mM 10 mM 20 mM 50 mM C ( F ) Sensing unit NaCl sucrose 1 2 3 4 5 6 0,0 1,0x10-9 2,0x10-9 3,0x10-9 4,0x10-9 5,0x10-9 5 mM 10 mM 20 mM 50 mM C (F ) Sensing unit

fernando.epusp@gmail.com PSI 5100 – Dispositivos Eletrônicos Poliméricos Sucralose

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Possibilidade de utilização de variáveis

de sistemas sensores diferentes:

Dados de NARIZ Eletrônico Dados de LÍNGUA Eletrônica Sensores Específicos (biosensores, íon-seletivos, etc) Análise Multivariada Classificação Outros atributos (cor, textura, etc)

Busca da Qualidade

Língua

Eletrônica

1999

Línguas Eletrônicas

- K. Toko, Sensors and Actuators B, 64, 205-215 (2000)

- Novel Materials and Applications of Electronic Noses and Tongues, MRS Bulletin, v. 29, n°10, Oct 2004

-C. Di Natale, R. Paolesse, A Macagnano, A Mantini, P. Mari, A D’Amico, Sensors and Actuatos B, 68, 319-323 (2000); Y. Vlasov et al, Anal Bioanal Chem, 373, 136-146 (2002)

- F. Winquist, S. Holmin, C. Krantz-Hülcker, P. Wide, I. Lundström, Anal. Chim. Acta, 406, 147-157 (2000)

comprimento do dígito, d: 4,98 mm; largura do dígito: 10µm; espaço entre dígitos, a: 10µm; periodicidade, λ: 40µm altura do dígito: 0,1µm

Microeletrodos

TTTT----10101010 (10 µm de espaçamento entre dígitos) T T T T –––– 50505050 (50 µm de espaçamento entre dígitos) Sputtering Cr / Au Fotolitografia

16-mer PPy-15 PANi EB POEA LS PANi ES

Clorofila Lipídio PANi 30%Rupy 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10 kHz 1/100 G / µµµµ S Unidades Sensoras Água Amostra 1 Amostra 2

Busca dos Materiais Adequados

Montagem da cabeça sensora

Microeletrodos com filme

Tempo de Resposta

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0 5.0x10-9 1.0x10-8 1.5x10-8 2.0x10-8 2.5x10-8 3.0x10-8 3.5x10-8 HCl 1mM C ap ac itâ nc ia ( F) Tempo (s) T-10 sem filme 0 20 40 60 80 100 120 140 160 5.0x10-10 1.0x10-9 1.5x10-9 2.0x10-9 2.5x10-9 3.0x10-9 3.5x10-9 4.0x10-9 4.5x10-9 Sacarose 1mM C ap ac itâ nc ia ( F) Tempo (s) T-10 sem filme 0 100 200 300 400 500 600 0.0 5.0x10-10 1.0x10-9 1.5x10-9 2.0x10-9 2.5x10-9 3.0x10-9 Água DI C ap ac itâ nc ia ( F ) Tempo (s) T-10 sem filme -20 0 20 40 60 80 100120 140160 0.0 4.0x10-9 8.0x10-9 1.2x10-8 1.6x10-8 2.0x10-8 NaCl 1mM C a pa ci tâ nc ia ( F ) Tempo (s) T-10 sem filme

Retomada do Sinal – 1 kHz

Retomada do Sinal

NaCl 5 mM

Análise dos dados

PCA

Redes

Neurais

Lógica

Fuzzy

Regressões

?????

Interface H-M

Sistema automático

de medidas

Sistema automático de fabricação dos filmes

Língua Eletrônica – “Hardware”

Sabores

Vinhos de diferentes vinícolas

CSA Cabernet Sauvignon A

CA Cabernet A

MA Merlot A GRAGammay Rosé A

RARiesling A GWAGewürztraminer A

UBUgni Blanc A

CSE Cabernet Sauvignon Embrapa

CFECabernet Franc Embrapa

REBlendEmbrapa

T1Table wine 1

T2Table wine 2

Monitoramento de

Qualidade dos alimentos

Café

Torrado e moído Verde em grãos Adulteração

Blendas de Café

Classificação de Cafés

ABIC

IPT ANP

Adulteração de combustíveis

Soja para beber

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 PC 1 (73,34%) P C 2 ( 17 .1 7% ) 4 2 5 1 3 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 PC 1 (73,34%) P C 2 ( 17 .1 7% ) 4 2 5 1 3

Leite de Soja para beber

Soja para beber

Sensores com OTFT

OFET

ISOFET ion-sensitive organic field effect transistor

OECT - organic electrochemical transistor

Anal Bioanal Chem 384 (2006) 343-353 review Mabeck Malliaras

Soja para beber

Sensores com OTFT

OFET

Soja para beber

Sensores com OTFT

ISOFET ion-sensitive organic field effect transistor

Soja para beber

Sensores com OTFT

OECT - organic electrochemical transistor

Diagnóstico de doenças

Estudo e desenvolvimento de um sistema multissensorial

para detecção não-invasiva de espécies,

em fase líquida ou gasosa,

associadas a doenças como o diabetes, câncer de pulmão, tuberculose, entre outras.

43 Indivíduos doentes exalam pela respiração e pelo suor substâncias características que estão associadas a

processos metabólicos particulares de um determinado tipo de doença. Tais substâncias podem

ser precisamente detectadas e quantificadas, mas pela ausência de uma instrumentação apropriada, não

são consideradas no diagnóstico de pacientes.

Diagnóstico de doenças

44

Um instrumento biomédico capaz de executar tal tarefa deverá contribuir para

a realização rápida e expedita

de diagnósticos de doenças em um patamar sub-clínico.

Neste instrumento o custo, a facilidade de utilização e interpretação do resultado e a rapidez na realização da análise são mais

importantes do que a precisão e a sensibilidade da medida.

Diagnóstico de doenças

O SM em estudo tem como diferenciais o baixo custo, operação em temperatura ambiente e a configuração híbrida de sensores (sensores inespecíficos e específicos) medidos sob regime AC, o que amplia a sensibilidade e a capacidade de discriminação de analitos. Os sensores químicos inespecíficos serão feitos de filmes nanoestruturados de polímeros semicondutores, ftalocianinas, nanotubos de carbono e nanopartículas inorgânicas, enquanto os sensores específicos serão preparados por diversas técnicas de obtenção da camada sensoativa.

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Podem ser analisada a presença de acetona, alcanos (butano, hexano e 2-metilhexano) e 1-metilnaftaleno,substâncias reconhecidas como biomarcadores de diabetes, câncer de

pulmão e tuberculose pulmonar, respectivamente. As respostas serão posteriormente processadas com o auxílio

Diagnóstico de doenças

A maior parte da composição do ar expirado é uma

mistura de nitrogênio, oxigênio, CO2, H2O e gases

inertes.

A composição restante é formada por quantidades

muito pequenas de mais de 1.000compostos orgânicos

voláteis (COV), com concentrações na faixa de partes por milhão (ppm) até partes por trilhão (ppt) por volume .

Em termos de sua origem, essas substâncias voláteis podem ser produzidas no organismo (endógena) ou podem ser absorvidas do ambiente (exógenos).

46

Diagnóstico de doenças

A composição de COV no ar expirado varia muito de

pessoa para pessoa, tanto qualitativa como

quantitativamente.

Testes sistemáticos de COVs e suas variações na respiração de seres humanos saudáveis mostram que embora o número de COVs encontrados seja superior

a 1000,só alguns destes COVs são comuns a todos os

seres humanos.

Esses COVs incluem isopreno, acetona, etanol e

metanol, que são produtos resultantes de processos metabólicos e fornecem dados muito importantes para

o diagnóstico clínico. Testes de substâncias endógenas

podem fornecer informações valiosas sobre um

possível estado de doença. 47

Diagnóstico de doenças

Os desafios no desenvolvimento de um sistema

simples de diagnóstico de doenças a partir da detecção de substâncias exaladas pela respiração

podem ser vários, em particular a variedade de

substâncias, os níveis exalados e o limite de detecção do sistema.

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Apesar disso, algumas tecnologias

comerciais como a de nariz eletrônico

(NE), já vem sendo empregadas com

relativo sucesso no diagnóstico de

doenças a partir da análise da respiração.

Diagnóstico de doenças

A proposta é estudar e desenvolver um sistema multissensorial (SM) para detecção, in vitro, de COVs como:

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Acetona >>>> diabetes

alcanos (butano, hexano e

2-metilhexano) >>>> câncer de pulmão.

1-metilnaftaleno >>> tuberculose

Sensores para Internet das Coisas (IoT)

http://www.printedelectronicsworld.com/articles/9255/the-future-of-iot-sensors-to-be-showcased-in-berlin