Microsistemas en funcionamiento

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1 Microsistemas en funcionamiento Sensor rápido de oxígeno para el análisis continuo de gas Peter Krippner, Berthold Andres, Paul Szasz, Thomas Bauer, Manfred Wetzko Basada en 40 años de experiencia en el diseño y desarrollo de analizadores continuos de gases, la compañía ABB ha desarrollado una solución más eficaz, más resistente y de menos coste partiendo de cero. Combinando nuevos materiales con la avanzada tecnología de microsistemas electromecánicos, la compañía ha conseguido un sistema sensor radicalmente nuevo, plenamente competitivo en términos de prestaciones, durabilidad y coste. Esta reducción de costes, debida en gran medida a la fabricación en serie del nuevo instrumento, al menor tiempo de respuesta y a la capacidad de tratar caudales variables de gas, tendrán una gran influencia en el futuro de la medición de la concentración de oxígeno. 68 Revista ABB 4/2006

2 Los analizadores continuos de gases de ABB, las series Advance Optima 1 y EasyLine, utilizan tecnología de altas prestaciones para medir la concentración de gases en diversos aspectos de las industrias de transformación. Estas mediciones son vitales para la protección medioambiental, la optimización de procesos, la garantía de calidad y la reducción de costes. Los analizadores se utilizan para la supervisión continua de emisiones de centrales eléctricas e incineradoras de basuras 2 y, entre otras aplicaciones, para garantizar la pureza de los gases en plantas de separación de aire, medir los gases inflamables en lugares peligrosos, proteger los filtros de polvo electrostático y optimizar los procesos de combustión en entornos tan duros como las fábricas de cemento. Tanto los analizadores de gases Advance Optima como EasyLine se basan en la avanzada tecnología de analizadores modulares que utiliza la más avanzada electrónica, algoritmos inteligentes y una mejor tecnología de medición continua. (por ejemplo, los compuestos de azufre, cloro y flúor) limitan, en general, su uso a aplicaciones en que se conocen bien los componentes de las mezclas de gases. Los sensores paramagnéticos, a pesar de su coste, ofrecen varias ventajas frente a las pilas electroquímicas. En estos sensores, la interacción del gas con el sensor es física en vez de química, de modo que no se produce el envenenamiento típico de los sensores electroquímicos. En atmósferas no corrosivas, los sensores paramagnéticos tienen, en principio, un tiempo de vida ilimitado. Pero incluso en atmósferas corrosivas es posible prolongar la vida útil si se eligen los materiales apropiados. Además, la sensibilidad cruzada de los sensores paramagnéticos es insignificante. Superar los inconvenientes actuales de producción y potenciar el rendimiento de los sensores de oxígeno paramagnéticos abrirá nuevos segmentos de mercado y permitirá aumentar el volumen de producción. Fundamentos de la medición paramagnética de oxígeno Los sensores de oxígeno paramagnéticos se utilizan para evaluar las propiedades magnéticas de las mezclas de gases. A diferencia de casi todos los demás gases, las moléculas de oxígeno presentan una susceptibilidad positiva relativamente fuerte y son, por tanto, paramagnéticos. Puesto que casi todos los demás gases presentan una baja susceptibilidad diamagnética, la susceptibilidad magnética de una mezcla de gases depende estrechamente de su contenido de oxígeno. 2 Campo típico de aplicación de los sensores de oxígeno: control de emisiones en centrales eléctricas Un gas con gran interés en casi todos los procesos industriales es el oxígeno. Su concentración se suele medir utilizando pilas electroquímicas o sensores paramagnéticos. Las pilas electroquímicas ofrecen una gran ventaja de coste en comparación con los sensores paramagnéticos, pero su tiempo de respuesta es mayor (más de 20 segundos) y su vida útil se reduce si están expuestas a gases secos. Su alta sensibilidad cruzada (sensibilidad a otros gases, distintos del oxígeno) y su baja compatibilidad con gases corrosivos 1 Serie de analizadores continuos de gases Advance Optima 3 Disposición del cuerpo de desplazamiento en un sensor paramagnético Concentrador de campo magnético Espejo N Cuerpo de desplazamiento Bobina de compensación Concentrador de campo magnético S Fotodetectores Fuente luminosa Revista ABB 4/

3 Esta propiedad es aprovechada por los llamados sensores de oxígeno magnetomecánicos, que miden la susceptibilidad magnética de una mezcla y determinan consecuentemente la proporción de oxígeno presente. Las mediciones se realizan con un cuerpo de desplazamiento situado en un fuerte gradiente de campo magnético y una estructura de medición del par 3. En resumen, el par generado en el cuerpo de la sonda en presencia de oxígeno es compensado por una pequeña corriente en una bobina fijada al cuerpo mismo de la sonda. Para mantener esta compensación en equilibrio, una unidad de detección óptica mide la posición del cuerpo de la sonda. La electrónica del controlador del sensor elige la corriente de compensación, de modo que la posición del cuerpo de la sonda se mantenga constante en todo momento. La corriente necesaria para compensar el par generado por el oxígeno es una medida directa de la concentración de oxígeno en la celda del sensor. Sensores de oxígeno paramagnéticos convencionales La geometría de los elementos utilizados en los sensores de oxígeno paramagnéticos convencionales se muestra en 4. El sensor en sí consta de piezas mecanizadas clásicamente, que se montan manualmente. El núcleo del sensor, con cuerpo de prueba adelgazado en el centro (de unos 2 mm de diámetro y 20 mm de longitud), se representa en 5. Para fabricar este elemento con suficiente reproducibilidad, se requiere personal altamente cualificado. La construcción e instalación de las pequeñas ampollas de vidrio exige tiempo, y los materiales utilizados para los soportes de montaje no son compatibles con gases muy corrosivos. No obstante, el rendimiento de los sensores actuales es excelente para muchas aplicaciones, especialmente para supervisar emisiones en centrales eléctricas alimentadas por combustibles fósiles. Basándose en este principio paramagnético, ABB ofrece un módulo para la medición de la concentración de oxígeno, que puede utilizarse en las series Advance Optima y EasyLine de analizadores de continuos de gases. Las principales características de los sensores son las siguientes: Rango mínimo de medición de Vol% (volumen porcentual) de O 2 Límite de detección de 50 ppm de O 2 Tiempo de respuesta de 3 s Las sensibilidades cruzadas para otros gases se indican en el Cuadro informativo. La tabla muestra el desplazamiento del punto cero de la señal de salida cuando existen gases no diluidos. Los valores indican que esta desviación del punto cero se debe a las propiedades magnéticas de los gases y son los inevitables errores remanentes y, por tanto, admitidos del punto cero para sensores de oxígeno paramagnéticos. Entre los inconvenientes de las prestaciones de los sensores paramagnéticos clásicos están una compatibilidad insuficiente con ciertos medios (por ejemplo, cloro o ácidos inorgánicos, como el clorhídrico) y el largo tiempo de respuesta causado por el gran volumen del sensor interno. La evaluación de las propiedades magnéticas de las mezclas de gases se utiliza en los sensores paramagnéticos de oxígeno. Cambio completo: materiales, geometría y fabricación ABB lleva más de 40 años perfeccionando los sensores paramagnéticos convencionales para obtener máximas prestaciones con costes mínimos. La compañía ha vuelto al tablero de dibujo para iniciar un nuevo desarrollo desde cero, una empresa arriesgada Cuadro Desplazamiento del punto cero (en vol% de O 2 ) de la señal de salida del nuevo sensor en presencia de gases no diluidos (100 vol%) Argón Monóxido de carbono Hidrógeno Sulfuro de hidrógeno Sensor de oxígeno paramagnético convencional: los componentes se montan a mano 5 Núcleo del sensor convencional: la fabricación de este elemento exige un personal muy bien formado 70 Revista ABB 4/2006

4 que deberá conseguir aún más mejoras. Este ejercicio tenía como objetivo conseguir una notable reducción de los costes, mejorando al mismo tiempo las prestaciones de los sensores. Con estos presupuestos, los desarrolladores modificaron tanto el elemento sensor como su celda circundante, manteniendo solamente el principio de detección. Las modificaciones fueron las siguientes: Materiales utilizados (silicio y cerámica en lugar de vidrio y acero) Geometría (una estructura plana sustituye a una compleja disposición tridimensional) Fabricación (grabado químico de silicio y proceso automatizado de producción por lotes, en lugar de mecanizado metálico y montaje manual) El resultado de estos trabajos se muestra en 6. Comparando este nuevo sensor con el sensor de corriente mostrado en 4, es evidente que el nuevo diseño y tecnología utilizados representan un cambio de modelo en la detección paramagnética de oxígeno. El corazón de este nuevo sensor es un chip de silicio micromecanizado 7 que proporciona cortos tiempos de respuesta y una fabricación reproducible en grandes volúmenes de producción. La gran ventaja respecto del antiguo sensor es, obviamente, la ausencia de estructura tridimensional de montaje manual. En lugar de ello hay un único chip plano. No obstante, este chip utiliza el mismo principio de medición: transformación de la concentración de oxígeno en un movimiento de rotación que es interpretado por un haz de luz. La nueva configuración consiste en un sistema de capas 6 El nuevo módulo sensor, altamente integrado, es un cambio de paradigma en el campo de sensores paramagnéticos de oxígeno. 7 Nuevo sistema micro electromecánico (MEMS) plano de chip de sensor (volumen interno 100 mm 3 aproximadamente) 8 El concepto de capas para crear una estructura tridimensional con componentes bidimensionales a b c d f e c g a a Circuito magnético b Sistema de entrada de gas c Portador magnético d Célula de sensor e Interfaz eléctrica f Chip de sensor g Sistema optoeléctrico sumamente compacto. El sensor comprende esencialmente estructuras planas, unidas para formar la celda del sensor 8. Se utilizan piezas cerámicas para conseguir estabilidad térmica y un alto grado de compatibilidad con distintos medios. En algunas de las piezas cerámicas se han integrado funciones eléctricas, como la preamplificación. Rompiendo las reglas: medición de oxígeno con chip de silicio La principal decisión tomada por los desarrolladores de ABB fue combinar un principio de medición probado y bien conocido, con avanzada tecnología de microsistemas electromecánicos (ME- MS) y aplicar la tecnología MEMS para un uso totalmente nuevo. La principal ventaja en prestaciones de la solución del chip en comparación con la clásica solución paramagnética es la gran reducción del volumen de gas dentro del sensor. El resultado es un sensor mucho más rápido, con tiempos de respuesta en torno a un segundo, lo que representa una gran mejora frente a los tres segundos de tiempo de respuesta de los sensores convencionales. Esta solución abre nuevos segmentos de mercado en los que la velocidad es esencial (por ejemplo, la supervisión de motores de combustión). El chip sensor de tipo plano se puede integrar fácilmente en la estructura de capas del sensor, permitiendo un montaje sencillo y automatizado, como se requiere para grandes volúmenes de producción a un coste admisible. Pasar de la configuración tridimensional convencional a un chip plano fue posible gracias a una ingeniosa idea y a un gran esfuerzo de de- Revista ABB 4/

5 sarrollo de la tecnología de fabricación de chips. Estos trabajos han dado como resultado algunas características notables: Durabilidad en gases agresivos (debido a una estructura de silicio en su mayor parte, con pistas metálicas resistentes a la corrosión) Alta reproducibilidad (debido al proceso de grabación utilizado, sumamente preciso) Rápido tiempo de respuesta (en torno a un segundo, gracias al poco grosor del chip) Importantes ventajas de costes en la fabricación en serie Este desarrollo proporcionará a nuestros clientes un nuevo sensor paramagnético con excelente compatibilidad con diversos medios y otras ventajas. Los largos períodos de servicio y la economía de los repuestos reducirán notablemente los costes del ciclo de vida. La mayor fiabilidad de las mediciones de los parámetros de proceso en medios muy corrosivos mejorará la calidad y seguridad del producto. El uso de la tecnología de chip plano fue posible gracias al desarrollo de un nuevo sistema de suspensión del cuerpo de desplazamiento. No hay una forma evidente de crear una estructura plana que gire fácilmente y que además sea relativamente resistente a la aceleración lineal. En 9 se muestra el comportamiento mecánico simulado del sistema de suspensión 9 Simulación del comportamiento mecánico del nuevo sistema de suspensión del sensor de silicio 10 Simulación de la distribución de velocidad del gas en la célula del sensor recientemente desarrollado, incluido en el chip sensor de silicio. Se perfeccionó expresamente una herramienta de simulación de campo magnético patentada por ABB para simular no sólo las distribuciones del campo, sino también su influencia sobre el cuerpo de desplazamiento teniendo en cuenta las propiedades magnéticas del gas. El circuito magnético ha sido optimizado para generar un gradiente máximo de campo en la zona del cuerpo de desplazamiento. Las simulaciones de fluidez contribuyeron a conseguir el rápido tiempo de respuesta de los nuevos sensores. El problema consistía en llevar un gran flujo volumétrico (hasta 100 l/h) cerca del microsensor y cambiar el gas dentro de la celda del sensor con la mayor rapidez posible. Al mismo tiempo había que minimizar la influencia del flujo de gas en el cuerpo de desplazamiento. La figura 10 muestra el resultado de simular la distribución de velocidad de un flujo de gas en la célula del sensor. El sensor está formado fundamentalmente por estructuras planas que consituyen la célula sensora. Herramientas de desarrollo Dejar de lado 40 años de experiencia e iniciar un nuevo desarrollo partiendo de cero sería imposible sin el uso de potentes herramientas de simulación para acelerar el trabajo. Durante el proceso de desarrollo se utilizaron herramientas de simulación numérica para optimizar las propiedades mecánicas, fluídicas, magnéticas, térmicas, eléctricas y ópticas del sensor. 11 Oblea de silicio con sensores de oxígeno La principal ventaja funcional de la solución con chip es la gran reducción del volumen de gas dentro del sensor. Tecnología de fabricación de chips El chip de silicio de los nuevos sensores se fabrica en dos fases fundamentales. Primeramente, la bobina que compensa la fuerza generada por las moléculas de oxígeno se forma en la superficie de la oblea mediante deposición metálica y estructuración. En la segunda fase se lleva a cabo un profundo ataque químico iónico reactivo (DRIE, Deep Reactive Ion Etching) 72 Revista ABB 4/2006

6 12 Tiempo de respuesta del nuevo sensor 13 Error absoluto de medición como función del flujo de gas para el aire Concentración [vol% O 2 ] 25 T = 1.3 s 20 90% % Tiempo [s] Error absoluto [vol% O 2 ] Tasa de flujo de gas [l/h] para atravesar la oblea. El resultado de este proceso se muestra en 11. En comparación con los procesos DRIE estándar que se utilizan a menudo en la producción de giroscopios micromecánicos, los requisitos de esta aplicación son bastante más especializados. Las simulaciones fluídicas contribuyen a conseguir la gran rapidez de respuesta de los nuevos sensores. Cuadro Patentes resultantes de este trabajo Patente USA Dispositivo de medición de la concentración de oxígeno en gases. Patente europea Dispositivo para la medición de la concentración de oxígeno en gases por medio de un campo magnético no homogéneo. Patente USA Dispositivo para la suspensión de un cuerpo de muestra. Patente europea Dispositivo para la suspensión de un cuerpo de muestra. La estructura atacada químicamente forma el sistema de suspensión para el cuerpo de desplazamiento con una anchura mínima de unos 20 µm sobre el grosor total de la oblea, de varios cientos de micras. Puesto que las paredes laterales atacadas se utilizan también como espejo, para reflejar el haz luminoso, existen otros requisitos extremos de rugosidad. La optimización del desarrollo y del diseño del proceso permitió conseguir una pared lateral suficientemente homogénea y perpendicular para fabricar el fino sistema de suspensión y el cuerpo de desplazamiento con su pared lateral reflectante, haciendo posible un proceso rentable de ataque químico en un solo paso. La compatibilidad del silicio y del óxido de silicio con distintos medios es suficiente para la mayoría de los gases, incluso los que son muy corrosivos para otros materiales. Los puntos sensibles a la corrosión son las pistas metálicas de estos nuevos sensores. Utilizando metales resistentes a la corrosión, utilizados comúnmente en la tecnología MEMS (por ejemplo, aluminio y oro), y recubrimientos protectores especialmente adecuados en los hilos de conexión, se obtiene un sensor que puede resistir atmósferas húmedas de cloro durante varios meses, en contraste con la vida útil, de menos de un día, de otros sensores modernos. El desarrollo de este nuevo sensor paramagnético para medir la concentración de oxígeno es un gran logro del análisis continuo de gases. Características y prestaciones El nuevo sistema sensor ofrece importantes mejoras en cuanto a tiempo de respuesta y resistencia a la corrosión. El tiempo de respuesta (cambio de nitrógeno a aire en un caudal de 60 l/h) del nuevo sensor se redujo a 1,3 s (véase 12 ). Más importante aún que una rápida respuesta es la estabilidad de la señal en caso de caudal de gas variable ( 13 ). Un caudal de entre 20 y 60 l/h origina un desplazamiento del punto cero de sólo 150 ppm de O 2, sin ninguna corrección de la señal original. Observaciones finales El desarrollo de este nuevo e ingenioso sensor paramagnético para medir la concentración de oxígeno es un avance importante en el campo del análisis continuo de gases. El nuevo sensor combina las altas prestaciones de los sensores paramagnéticos clásicos y los menores costes de los sensores electroquímicos. El nuevo sensor proporcionará a ABB y a sus clientes una importante ventaja competitiva e influirá significativamente en el futuro de la medición de la concentración de oxígeno. Peter Krippner Paul Szasz Manfred Wetzko ABB AG Ladenburg, Alemania peter.krippner@de.abb.com paul.szasz@de.abb.com manfred.wetzko@de.abb.com Berthold Andres Thomas Bauer ABB Automation GmbH Frankfurt, Alemania berthold.andres@de.abb.com thomas.l.bauer@de.abb.com Revista ABB 4/