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SISTEMA DE CONTROLE PARA AQUECIMENTO DE SUBSTRATOS EM PROCESSOS DE FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES
DETECTORES DE GASES
Divisão TemáticaDT 4 - Processos produtivos, tecnologias e tendências para o presente e o futuro
Autores: R. CIRIO 1; L. MATOS2; F. MIRANDA3; D. LOHMANN4.
Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC)Chamada CNPq Nº 04/2018
Resumo:Um sistema de aquecimento controlado, capaz de manter a superfície de substratos a uma temperatura elevada e constante durante a deposição de filmes finos de óxidos condutores transparentes (TCOs), é essencial na fabricação de sensores detectores de gases por meio da técnica de spray pirólise. Este trabalho relata a confecção de uma base de aquecimento para esta finalidade, bem como o desenvolvimento de hardware e firmware contendo um controlador proporcional integral derivativo (PID) e interface de usuário para sua utilização. O hardware consiste de uma placa de circuito impresso contendo um conversor analógico-digital (ADC) do tipo Delta-Sigma utilizado para leitura das medições de temperatura efetuadas por termopares e um microcontrolador que coordena todo o processo.
Palavras-chave: sensores; aquecimento; PID.
1 Discente do curso de graduação em Engenharia Eletrônica do IFSC - Campus Florianópolis. E-mail: [email protected].
2 Discente do curso de tecnologia em Eletrônica Industrial do IFSC - Campus Florianópolis. E-mail: [email protected] Docente do Departamento Acadêmico de Eletrônica do IFSC - Campus Florianópolis.E-mail: [email protected] Docente do Departamento Acadêmico de Eletrônica do IFSC - Campus Florianópolis.E-mail: [email protected].
Introdução
Uma das inúmeras aplicações de filmes finos de óxidos condutores
transparentes na indústria tecnológica é em sensores de gases (BAGHERI-
MOHAGHEGHI; SHOKOOH-SAREMI, 2004). Uma técnica popular de
deposição de filmes finos é a de spray pirólise que, de acordo com Filipovic et
al. (2013), apresenta qualidade e relação custo-eficácia como vantagens sobre
processos similares. Ainda, Korotcenkov et al. (2001) apontam a influência da
temperatura de pirólise na resistência e sensibilidade de filmes de dióxido de
estanho (SnO2). Sendo assim, percebe-se a importância de um sistema que
apresente uma superfície de temperatura controlável para fabricação de
sensores detectores de gases por esta técnica.
Procedimentos metodológicos
Um transdutor de calor simples e de baixo custo pode ser encontrado na
forma de uma resistência elétrica em formato de chapa. Neste projeto, foi
utilizado para esta finalidade um elemento especificado em 220 V e 350 W,
suportado por uma base constituída por uma estrutura de blocos refratários de
cerâmica intercalados por camadas de lã de vidro, fixados por fita térmica,
conforme exibido na Figura 1a.
Figura 1 – Base de aquecimento confeccionada para o projetoa) Base de aquecimento. b) Placa desenvolvida no Kicad.
Fonte: elaborado pelos autores
Quatro termopares tipo K foram posicionados abaixo da resistência,
próximos de seu centro e em contato com a mesma, para medição de sua
temperatura. Neste âmbito, o conversor analógico-digital LTC2439-1 foi
selecionado por possuir 16 canais de entrada, interface SPI e resolução de 16
bits. Sendo assim, projetou-se uma placa de circuito impresso para integrar
todas as conexões necessárias a um microcontrolador ATmega328P, conforme
demonstrado na Figura 1b.
Uma modulação de largura de pulso (PWM) é utilizada no acionamento
de um relé de estado sólido, controlando a tensão aplicada à resistência da
base, cuja função de transferência foi extraída a partir da realização de um
ensaio de resposta ao degrau em malha aberta. Por conseguinte, projetaram-
se dois controladores PID, sendo um deles mais rápido, especificado para
operar com temperaturas de até 350 ºC, e o outro mais lento, capaz de
controlar o sistema até seu limite de aproximadamente 480 ºC. Observa-se o
comportamento de cada um deles na Figura 2a, que ilustra uma simulação da
resposta ao degrau do sistema controlado em malha fechada e também a
resposta do ensaio realizado em malha aberta.
Figura 2 – Resultados de ensaio, simulações e sistema montado
a) Respostas ao degrau do sistema. b) Sistema montado.
Fonte: elaborado pelos autores
Resultados e discussões
O sistema apresentado na Figura 2b, no qual se inseriu a base de
aquecimento, foi criado para promover um ambiente controlado, sem
interferências externas de temperatura ou elementos químicos existentes na
atmosfera. Esta estrutura contém válvulas para posterior aplicação de soluções
químicas para deposição de filmes finos sobre substratos posicionados na
superfície aquecida. A interface com o usuário, realizada pela tela de cristal
líquido e teclado matricial, permite o ajuste da temperatura desejada e tempo
de atuação do aquecimento.
Considerações finais
Embora os resultados de simulação do sistema de controle sejam
promissores, diversos testes e ajustes serão necessários no processo de sua
implementação prática. Contudo, a construção do sistema de aquecimento
para o fim desejado, incluindo todo o hardware e firmware desenvolvidos e o
projeto de controle, proporcionaram grande crescimento pessoal e acadêmico
para a equipe. Como objetivo futuro, serão realizadas medições em sensores
comerciais e substratos dopados com dióxido de estanho IV, para validação do
equipamento.
Referências
BAGHERI-MOHAGHEGHI, M.-M.; SHOKOOH-SAREMI, M. The influence of al doping on the electrical, optical and structural properties of SnO2 transparent conducting films deposited by the spray pyrolysis technique. Journal of Physics D: Applied Physics, v. 37, p. 1248–1253, mar. 2004. DOI: 10.088/0022 -3727/37/8/014.
FILIPOVIC, L. et al. Modeling spray pyrolysis deposition. World Congress on Engineering, London, U.K., v. II, jul. 2013. ISSN: 2078-0966.
KOROTCENKOV, G. et al. Peculiarities of sno2 thin film deposition by spray pyrolysis for gas sensor application. Sensors and Actuators B: Chemical, v. 77, p. 244–252, 2001.