Sistema portable de medición para microsensores tipo FETs

Ibersensor 2012-October 16-19, Puerto Rico
IB12-54
Sistema portable de medición para microsensores tipo FETs
basado en un microcontrolador PSoC
D. Garnier Fernández1, O. Arias de Fuentes2§, A. Blanco2, A. Durán2, C. Jiménez3
1
Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” (ISPJAE)
Calle 114 #11901, e/ 119 y 127 CP 19390, C. Habana, Cuba
2
Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Universidad de La Habana
Zapata y G, Vedado CP 10400, C. Habana, Cuba
3
Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Campus-UAB, 08193 Bellaterra, Barcelona, España
§ E-mail: [email protected]; [email protected]
Abstract
En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un sistema de instrumentación portable
basado en un microcontrolador CY8C29466 (PSoC) para la caracterización y el empleo de
microsensores ISFETs y CHEMFETs a fin de poder realizar controles en muestras líquidas, que
posibilitarán la cuantificación de diversos iones contaminantes y nocivos para la salud. El sistema
permite realizar mediciones que, además de ser mostradas en pantalla, pueden ser almacenadas
para su posterior recuperación y análisis mediante su acople a una PC.
Keywords: ISFET, CHEMFET, PSoC, microsensor, instrumentación.
Introducción
En
la
actualidad
los
problemas
medioambientales que afectan la salud de los
seres vivos constituyen un importante centro de
atención
de
la
comunidad
científica
internacional. Tal es así, que se han
desarrollado diversos sistemas para el control
de la calidad del agua, otros destinados a
apoyar el diagnóstico y la rehabilitación de
personas con padecimientos médicos, así como
otros que han permitido mejorar la calidad de
vida de muchas personas.
Una rama muy vinculada a esto, que en las
últimas décadas ha sufrido un acelerado
desarrollo, ha sido la de los transductores y
sensores. Con los avances de esta rama y los
adelantos de la ciencia y la tecnología, es que
surgen los microsensores basados en FETs
(Transistores de Efecto de Campo).
Los microsensores basados en FETs han
ganado una importancia cada vez mayor en
diferentes aplicaciones dado sus ventajas sobre
sensores convencionales en cuanto a tamaño,
posibilidades de integración, bajos costos,
tiempos de respuesta rápidos y necesidad de
pequeños volúmenes de muestra para su
utilización [1, 2].
El objetivo de este trabajo está dirigido
hacia el diseño e implementación de un sistema
portable con el empleo de un PSoC (Sistema
Programable sobre un Dispositivo), asociado a
microsensores basados en FETs. Con él será
posible realizar mediciones que, además de ser
mostradas en una pantalla de cristal líquido
(LCD) que forma parte del sistema portable,
podrán ser almacenadas por el PSoC para su
posterior recuperación y análisis en el
laboratorio mediante su acople a una PC.
Diseño general del sistema
El sistema se compone, básicamente, por
una etapa acondicionadora de señal y otra
encargada del procesamiento, visualización,
almacenamiento y transmisión de los datos
adquiridos por el sensor.
En el período de diseño se seleccionó
cuidadosamente el circuito de polarización
(etapa acondicionadora de señal), necesario
para imponer el punto de operación del
microsensor. Con él se fijó un valor constante
para VDS e IDS, siendo estos 500mV y 100uA
respectivamente. Para ello, se empleó el circuito
amplificador con realimentación de voltaje al
electrodo de referencia [3].
Como unidad básica de procesamiento se
hizo uso del microcontrolador CY8C29466 [4],
perteneciente a la familia de los PSoC. Lo más
notable en él, es su capacidad para integrar
componentes analógicos en la sección digital de
un sistema. Esta característica permitió la
implementación parcial del circuito de
polarización en el PSoC. Con ello se favoreció
la integración y la portabilidad del sistema.
En la Fig. 1 se muestra el diseño
esquemático del sistema desarrollado.
existente entre los valores mostrados en la
pantalla LCD del sistema y los valores
esperados, acorde a su medición con un
instrumento patrón.
El procesamiento de los datos y el gráfico
de la Fig. 2 se realizaron con el software
STATGRAPHICS v5.1.
La ecuación que correlaciona los datos
medidos por el PSoC mostrados en la pantalla
con los del instrumento patrón es la siguiente:
VPSoC(mV) = 1.00092 * VPatrón(mV) – 1.96381
Fig. 1: Diseño esquemático del sistema desarrollado.
Para que el rango nominal de medición del
sistema abarcara también valores negativos, se
ha empleado el amplificador operacional (AMPOP) A5, configurado como sumador de tensión.
Ello fue necesario ya que el rango dinámico de
entrada del conversor A/D implementado en el
PSoC sólo maneja valores positivos de tensión
[4]. De esta forma se logró que el rango nominal
de medición del sistema abarcara valores entre
-1.2 V y +1.4 V.
Los AMP-OP A3 y A4 forman la parte del
circuito de polarización no implementada en el
PSoC.
La visualización de los datos se realiza por
medio de una pantalla LCD interconectada al
microcontrolador.
Los datos obtenidos se almacenan en el
PSoC
gracias
al
módulo
E2PROM
implementado en el microcontrolador. La
transmisión de estos datos hacia una PC se
efectúa por un puerto serie RS-232.
Con el software de diseño PSoC Designer
v4.3, se configuraron los principales parámetros
del microcontrolador y los componentes
integrados a él. Con él también se programó el
microcontrolador. Para ello se hizo uso del
lenguaje C, debido a las ventajas que este
lenguaje ofrece, entre las que se encuentran las
facilidades para el trabajo con números flotantes
y las opciones para reconfigurar el código o
actualizarlo.
Evaluación del sistema
El sistema, cuyo diseño esquemático se
muestra en la Fig. 1, se implementó en un
soporte físico, después de lo cual se le
realizaron un conjunto de mediciones para su
calibración desde el punto de vista electrónico.
Las mediciones abarcaron un barrido de
tensiones por canal, en un rango comprendido
entre -1V y +1V.
Con el sistema ya calibrado se obtuvo la
gráfica que se muestra en la Fig. 2. En ella
puede observarse la buena correlación
El índice de correlación lineal obtenido fue
de 0.999997, lo que indica la excelente
linealidad en la respuesta del sistema de
medición desarrollado.
Fig. 2: Resultados de mediciones realizadas con el
sistema implementado.
A partir de estos resultados puede
concluirse que el sistema corregido reduce los
errores de ganancia a valores prácticamente
nulos y el de cero a algo menos que 2 mV. Ello
refleja la adecuada exactitud del sistema de
medición desarrollado.
Agradecimientos
Los
autores
desean
expresar
su
agradecimiento al Proyecto CYTED 510AC0408
“REDSENS”
por
las
posibilidades
de
colaboración que ha brindado para la ejecución
de este trabajo.
Referencias
[1] C. Jiménez, C. Domínguez, O. Arias de Fuentes, A.
Lastres, E. Valdés; “Microsensores de estado sólido tipo
ISFET:
Estructura
y
fundamentos”,
Sensores
y
Microsistemas, Buenos Aires, Vol. II, 2006.
[2] C. Jiménez, J. Orozco, A. Baldi; Sensors, Vol. 10, pp. 6183, 2010.
[3] Blanco Rodríguez, Andy; Sistema con PSoC para la
caracterización de microsensores basados en FETs; 2009;
Tesis de Maestría; IMRE-UH.
[4] Cypress Semiconductor; PSoC Mixed signal array;
CY8C29466 - CY8C29666 data sheet; 2006.