5to. Verano Estatal de la Investigación CONSEJO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL ESTADO DE GUANAJUATO

CARACTERIZACIÓN DE SENSORES DE PRESIÓN CAPACITIVO

EMPLEANDO COMO MATERIAL BASE PET RECICLADO Y PINTURA DE PLATA.

Autores: Elda Leticia Talancón Urzúa, Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, M. I. Javier Gustavo Cabal Velarde, Instituto Tecnológico Superior de Irapuato. RESUMEN Los sensores capacitivos tienen una amplia variedad de aplicaciones a nivel industrial y electrónica de consumo; una de las más representativas es su empleo en la medición de presión en neumáticos donde su desarrollo mediante tecnología MEMS ha impulsado su comercialización de manera importante. El principal material empleado para este tipo de sensores es el polisilicio gracias a sus propiedades mecánicas y eléctricas. En el presente trabajo se hace una propuesta del desarrollo de un sensor de presión tomando como base el Polietilentereftalato (PET) reciclado y pintura de plata, del cual a partir de los resultados se hará la propuesta de su desarrollo como estructura MEMS. INTRODUCCIÓN

Sensores Capacitivos. Los sensores capacitivos son dispositivos formados por dos conductores, generalmente en forma de placas o láminas; dichas placas son separadas por un material dieléctrico por una distancia que es pequeña comparada con las dimensiones; que al ser sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica.

Donde es la constante dieléctrica

entre las placas; es el área efectiva

entre las placas y distancia entre las placas o espesor dieléctrico.[4] La propuesta del sensor desarrollado para el proyecto consiste en dos placas paralelas de pintura de plata de menor dimensión que la base que en este caso es el PET; este mismo sirve como soporte mecánico para la pintura de plata y en la parte interior del capacitor se encuentra aire acumulado.

Figura 1. Estructura del sensor de placas paralelas.

La relación entre una capacitancia y

una capacitancia inicial se llama constante dieléctrica del material, K.

Por definición, la constante dieléctrica K para la mica es de 3-6 K, así como para el aire es igual a 1. [1][2] Considerando que el material base es PET sus propiedades características son parecidas a las de la mica, por el cual se cita en la siguiente tabla las propiedades químicas, físicas y mecánicas particulares para poder ser utilizado en este proyecto. Fórmula molecular (C10H8O4)n

Densidad 1.37

Modulo de Young 2.5 GPa

Fuerza de Tensión 40.33MPa

Limite de Elasticidad 50-150%

Conductividad térmica 0.24

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Calor Específico

Temperatura max. 115-170°C

Constante dieléctrica 1Mhz

3,0

Resistencia dieléctrica 17 Tabla1. Propiedades químicas, físicas y mecánicas del PET.[3]

OBJETIVO

Caracterizar el comportamiento del sensor de presión capacitivo para detectar las variaciones de presión y poder obtener una ecuación o tabla la cual ayude a comprender el funcionamiento óptimo del sensor con respecto a la presión así como su vialidad en la fabricación en tamaño microscópico, así como su vialidad en la fabricación con tecnología MEMS. Caracterizar las propiedades eléctricas del sensor capacitivo con respecto a la presión en el neumático. MATERIALES Y MÉTODOS

Basado en la metodología ya propuesta, se realizó la identificación de los parámetros a medir durante las pruebas y simulaciones. De la misma manera se realizaron pruebas con el sensor de presión en el laboratorio de MEMS incluyendo variaciones de presión enfocadas entre 0 y 15 micras; esto con el objetivo de monitorear si las condiciones son satisfactorias para su miniaturización y si el grado de sensibilidad es satisfactorio. La captura de la información se realizó con el Analizador de Impedancias del NI ELVIS, herramienta virtual de LabView, corroborando manualmente los datos obtenidos con un generador de funciones con variaciones en las frecuencias (Hz) y un osciloscopio. Se obtuvieron tablas y gráficas que muestran los resultados de las mediciones obtenidas de los sensores para su comparación de trabajo y de esta manera determinar las posibles fallas y parámetros que requieren ser

mejorados para un óptimo desempeño del sensor. Las simulaciones virtuales del sensor se realizaron con el software INVENTOR de Autodesk con diferentes concentraciones de fuerza para verificar los resultados físicos que muestra dicho sensor. RESULTADOS

Enfocado a la metodología mencionada; en la siguiente figura (Figura 2) se muestra la gráfica obtenida de los datos adquiridos con la caracterización del sensor capacitivo.

Figura 2. Gráfica comparativa del sensor

con presión constante y sin presión aplicada.

En la línea roja se puede observar el comportamiento del sensor sin presión aplicada con una frecuencia variable; la obtención de los datos se realizo por medio del osciloscopio y el software NI ELVIS obteniendo una gráfica casi lineal en comparación con una presión aplicada (línea azul) simulada en el software de Inventor en el cual se obtuvieron las deformaciones con respecto a la presión. Siendo calculadas las variaciones de la capacitancia en base a la fórmula (2). A partir de estos resultados se hicieron las simulaciones eléctricas en el software PSpice y de esta manera se obtuvo un comportamiento lineal deseando. De igual manera, los valores obtenidos de la presión que se ejerce en las paredes del sensor introducido en el neumático se observan en la siguiente tabla; donde se aprecian los resultados de la capacitancia en base a la presión

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y el valor de la constante dieléctrica del material.

Presión. (MPa) Capacitancia (F) 0.1030 5.2980E-10

0.1133 5.3056E-10

0.1236 5.3130E-10

0.1339 5.3204E-10

0.1442 5.3279E-10

0.1545 5.3353E-10

0.1648 5.3428E-10

0.1751 5.3502E-10

0.1854 5.3581E-10

0.1957 5.3655E-10

0.2060 5.3729E-10

Tabla 2. Resultado de la capacitancia aplicando presión en Mega Pascales.

Confirmando de manera virtual lo obtenido en la tabla 2; la simulación realizada en el software Inventor (Figura 3) muestra la deflexión que se lleva a cabo en un punto de presión central en el cual la deflexión máxima es de 0.5047Mpa y la máxima tensión principal es de 0.3644Mpa

Figura 3. Simulación del sensor de presión

en Inventor.

En las pruebas físicas realizadas con el sensor dentro del neumático se obtuvieron valores con comportamientos incrementales linealmente; estos valores se corroboraron físicamente con el sensor dentro del neumático. En la línea azul de la figura 4 muestra un ligero cambio en la linealidad en los 51mV a 0.11MPa y posteriormente la gráfica sigue en incremento lineal constante. Utilizando la simulación virtual en el software PSpice la gráfica (línea roja) muestra un incremento cuadrático, por la variación de los dieléctricos, dicha

variación llega a ser tan pequeña en la capacitancia que se considera lineal el comportamiento. En el medidor de presión se muestran valores de la presión relativa, mientras que en la gráfica las presiones son absolutas tomando en cuenta la presión dentro de la llanta varia de 0.103MPa a 0.206MPa.

Figura 4. Gráfica de comportamiento del

sensor dentro del neumático con respecto al voltaje y la presión y simulada en

PSpice.

CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN

El desarrollo de un sensor a base de pintura de plata y PET ha demostrado físicamente y virtualmente un comportamiento viable. Por ello es posible construir un sensor del tipo capacitivo para la medición de presión con tecnología MEMS; así como realizar pruebas de fatiga en vibración y temperatura con respecto al neumático en condiciones de operación aproximadamente entre -5°C hasta 50°C. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] D. Tandeske. “Pressure Sensors (Mechanical Engineering (Marcell Dekker))”,

[2] F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young, “Física Universitaria”, sexta edición, pp. 600-608, 1982.

[3]I. M. Ward, J. Sweeney, “Introduction to the Mechanical Properties of Solid Polymers”

[4] L. K. Baxter. “Capacitive Sensors: Design and Applications (IEEE Press Series on Electronics Technology)”,