Resumen de Density and viscosity sensors based on piezoelectric micro-resonators.
Tomas Manzaneque García
La medida de las propiedades físicas de líquidos, concretamente la densidad y la viscosidad, tiene gran interés para diferentes industrias, como la de automoción, la biotecnológica y la agroalimentaria. Los métodos experimentales actuales se basan en instrumentos de sobremesa con partes móviles que a menudo suponen limitaciones en términos de coste, tamaño y velocidad de medida. El desarrollo de los sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS) ha posibilitado resonadores mecánicos de escala micrométrica integrables on-chip. Estos dispositivos, inmersos en un fluido, proporcionan parámetros válidos para determinar la densidad y la viscosidad. Su alto grado de integrabilidad, así como la facilidad de fabricación mediante tecnologías del silicio ya disponibles, prometen sensores compactos y de bajo coste, capaces de monitorizar en línea las propiedades del líquido. El problema ha sido analizado en dos frentes: el diseño de resonadores adecuados, y su inclusión en circuitos electrónicos que sirvan como interfaz. Para la primera cuestión, se ha elegido el efecto piezoeléctrico como mecanismo de transducción. Aunque este carece de la sensibilidad alcanzada por otros mecanismos, la alta compatibilidad electrónica y flexibilidad de diseño suponen ventajas importantes para el problema planteado. La optimización de transductores piezoeléctricos en resonadores planos ha sido abordada. Además, se han explorado diferentes geometrías de resonador y modos de vibración con el fin de: primero, maximizar la respuesta a través de altos valores de transducción y factor de calidad; segundo, lograr una sensibilidad adecuada de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad a las magnitudes objetivo, densidad y viscosidad. Bajo esta última consideración, los modos ¿fuera de plano¿ aparecen como la solución adecuada, en contraste con los modos ¿en el plano¿. Para interpretar la respuesta del resonador, el objetivo de una solución compacta requiere circuitos simples, en lugar de procesado de señal basado en instrumentación. El circuito oscilador constituye una técnica simple para el seguimiento de la frecuencia de resonancia. Sin embargo, la alta degradación de señal sufrida por los modos ¿fuera de plano¿ en líquido supone un reto a esta aproximación. Una estrategia de compensación, basada en un dispositivo de referencia no liberado y un amplificador de instrumentación, es propuesta para superar esta limitación. La implementación de un bucle de control de ganancia permite adquirir también el factor de calidad. Mediante un proceso doble de calibración, se obtienen la densidad y la viscosidad a partir de las señales eléctricas proporcionadas por el circuito. El concepto se ha probado con un resonador tipo placa rectangular, vibrando en el modo ¿fuera de plano¿ de segundo orden. La resonancia ocurre a unos 300 kHz y presenta un factor de calidad de 66 bajo inmersión en isopropanol. La solución del oscilador, implementada con componentes discretos estándar, ha sido demostrada por primera vez para un microresonador piezoeléctrico en líquido. Este resultado revela la factibilidad de un sensor compacto de bajo coste. Se han logrado exactitudes del 0.4% en densidad y 8% en viscosidad para el rango de medida de 0.680 g/cm-3 a 0.905 g/cm-3 en densidad, y de 0.4 mPa·s a 7.3 mPa·s en viscosidad. Las mejores resoluciones alcanzadas en este rango son 1.83 x 10-7 g cm-3 y 1.74 x 10-5 mPa·s, comparables con las que obtienen los instrumentos disponibles comercialmente.
