Dispositivos microelectrónicos que consisten en dos peines de metal con dientes entrelazados con un recubrimiento de un material poroso diseñado por Laboratorios Nacionales de Sandia para atrapar y detectar sarina, y agentes de guerra química relacionados. Crédito: Craig Fritz
Imagine un detector de humo que, en lugar de advertir a los residentes de humo antes de que un incendio envuelva su hogar, se coloca en ubicaciones de tránsito masivo para alertar a los viajeros y los socorristas sobre productos químicos peligrosos en el aire.
Investigadores de los Laboratorios Nacionales de Sandia han pasado los últimos tres años desarrollando un sensor químico de potencia ultra baja para detectar sarín y otras agentes de guerra química o toxinas industriales gaseosas, con el objetivo de proteger al público y el ejército.
Sarin es un agente nervioso extremadamente tóxico que puede causar la muerte en minutos. La producción y el almacenamiento de sarín, junto con otros agentes nerviosos y gas mostaza, están prohibidos. Sin embargo, Sarin se ha utilizado en ataques terroristas.
“Cuando estamos pensando en la electrónica de potencia ultra baja, queremos instalar un sensor y dejarlo en el campo durante mucho tiempo”, dijo Mieko Hirabayashi, ingeniero de microelectrónica de Sandia y plomo del proyecto. “No queremos preocuparnos por reemplazar las baterías a menudo”.
Cualquiera que haya cambiado una batería de detector de humo en medio de la noche puede apreciar el valor de los sensores que pueden funcionar durante una década sin reemplazo de la batería.
Sensor esponjoso para sarín
El componente de detección consiste en un material poroso similar a una esponja diseñado para atrapar químicamente el sarín y sus primos químicos.
Este material poroso, llamado sol-gel, se asemeja a la espuma de aislamiento de aerosol. Los productos químicos precursores se rocían desde una boquilla especializada en una estructura que se asemeja a dos peines de metal con dientes entrelazados llamado electrodo interdigitado, dijo Philip Miller, un ingeniero biomédico de Sandia en el proyecto. El electrodo recubierto se calienta, lo que hace que el líquido portador se evapore, creando una estructura abierta de “burbuja popada”.
“La porosidad del material crea más puntos para el químico de interés para aterrizar”, dijo Miller. “Cuantas más moléculas pueda medir el sensor, más rápida será la alerta que puede proporcionar. Si el sensor se usa en la solapa de alguien, puede proporcionar una alerta de ‘salir de Dodge’. Si el sensor está en el campo, puede proporcionar una advertencia para mantenerse alejado”.
Cuando una molécula de sarina se une al sol-gel entre los dientes del electrodo, las propiedades eléctricas del material cambian. Esta propiedad, llamada capacitancia, es detectada por el resto del sensor utilizando una potencia mínima, dijo Miller.
El equipo también exploró el uso de una medición eléctrica diferente llamada impedancia, que usa más potencia pero es más selectiva. Esto sería valioso si el químico de la preocupación es similar a los productos químicos en el aire comunes, dijo Hirabayashi.
Convertir señales químicas en señales electrónicas
El equipo de Sandia colaboró con un profesor y estudiante de posgrado en la Universidad de Virginia para diseñar un circuito integrado de lectura que pueda detectar cambios en el sol-gel y convertirlos en señales útiles mientras consume una potencia mínima, dijo Hirabayashi.
Esto fue importante porque un circuito integrado de lectura generalmente consume la mayor potencia en un sistema de sensores, dijo Jesse Moody, un ingeniero de sensores de Sandia que dirigió el diseño del circuito.
“Esencialmente, necesitábamos desarrollar un dispositivo que pueda detectar cambios muy minuciosos en esa película de detección capacitiva y convertirlo en información digital útil de una manera extremadamente baja”, dijo Moody. “Ese fue el principal desafío electrónico del proyecto”.
El circuito fue diseñado utilizando estructuras en la escala de 65 nanómetros, 1.500 veces más pequeños que un cabello humano y tres veces más pequeño que el transistor más pequeño disponible en las instalaciones de fabricación de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones del Complejo de Microsistemas de Sandia. Este tamaño fue elegido para permitir que el sistema de sensores funcione más rápido mientras usa menos potencia, dijo Hirabayashi.
El circuito puede verificar rápidamente el estado de 10 canales de detección química en unas pocas milésimas de segundo, dijo Moody. El desarrollo del circuito integrado de lectura de potencia ultra baja basada en LDRD anteriores y proyectos del Departamento de Defensa en detección de baja potencia, agregó.
El diseño del circuito fue fabricado en Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., una de las instalaciones de fabricación de microchip más avanzadas del mundo. Por lo general, cuesta alrededor de $ 1 millón tener un microchip personalizado fabricado en dicha fundición; Sin embargo, para este proyecto, el equipo de Sandia compartió el costo inicial con otras compañías como parte de una oblea de múltiples proyectos, dijo Hirabayashi.
Por lo general, estas obleas múltiples se cortan en cubitos, y cada compañía recibe solo los segmentos de milímetro cuadrados, sobre el tamaño de una punta de lápiz afilada, que contiene su diseño, dijo Moody. Sin embargo, estas pequeñas piezas son difíciles de manejar y construir, incluso cuando se insertan en un paquete ligeramente más grande con conexiones llamadas Interposer de silicio, dijo Hirabayashi.
Para este proyecto, los investigadores hicieron que los diseños de las otras compañías eliminaran con un láser de alta potencia y desarrollaron un método innovador para llenar los vacíos con un polímero, lo que les permitió trabajar y construir sobre una oblea de silicio completa, dijo Hirabayashi.
Probar el sensor completo
Después de resolver problemas con la planarización de polímeros, el equipo reunió el sistema de sensores. Compararon el sistema de sensores construido a través de la vía de integración heterogénea, desde los pequeños chips en un interposer de silicio, con un sensor monolítico donde todo estaba construido en la misma oblea.
El sistema de sensor monolítico final medido 1 por 1 pulgada, mientras que el sistema de prueba heterogéneo era 10 veces más grande, dijo Hirabayashi. Agregó que había optimizado el equipo el sistema de sensores heterogéneos, podrían haber reducido su tamaño al doble del sensor monolítico.
El sistema de sensores monolíticos utilizó 30.9 nanocatios de potencia por canal de detección y tenía un área de 43 micras por canal. En última instancia, consumió un poco más de potencia por canal que el sistema heterogéneo debido a un problema de fuga de energía que el equipo no tenía tiempo para resolver por completo, dijo Hirabayashi. Una vez que optimizan aún más el sistema monolítico, debería usar menos potencia que el sistema heterogéneo porque las conexiones directas requieren menos potencia.
Dado que el sistema de sensores de prueba de concepto fue exitoso, el equipo está explorando fuentes de financiación adicionales para continuar desarrollando sensores químicos de ultra bajos y duraderos, dijo Hirabayashi. El sistema de sensores podría adaptarse con otros materiales químicamente selectivos para detectar múltiples productos químicos de preocupación en el mismo dispositivo, dijo Miller.
“La novedad de integrar el microcontrolador de baja potencia y el sensor Sol-Gel fue un proyecto realmente genial para trabajar”, dijo Miller. “Hacer el trabajo de sensores a nivel de sistema es duro y hacerlo de esta manera innovadora es especialmente desafiante. Creo que tenemos un buen camino para realizar un dispositivo funcional con soporte adicional”.
Proporcionado por Sandia National Laboratories
Cita: Diseño de sensores de toxina de larga duración (2025, 23 de abril) Consultado el 23 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-duration-toxin-sensors.html
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