Los sensores son elementos que varían sus propiedades al variar determinadas magnitudes físicas o químicas (temperatura, humedad, pH, velocidad, fuerza, torsión, desplazamiento, intensidad lumínica…), proporcionando una magnitud eléctrica de salida cuyo valor dependerá de la magnitud física o química. Esta señal de salida se transmite a otros dispositivos electrónicos que permitirán la lectura o almacenamiento de la información, o bien actuarán sobre otros elementos del sistema. Si bien los sensores han sido utilizados extensamente desde hace décadas, su uso se está extendiendo aún más hoy en día, a causa de la aparición de los llamados “sistemas inteligentes” y sus diferentes áreas específicas: ciudades inteligentes, inteligencia ambiental, Industria 4.0 o sanidad inteligente, entre otras. Estos nuevos sistemas requieren el uso de múltiples sensores de distintos tipos y de bajo coste, lo cual ha hecho incrementar los esfuerzos de investigación y desarrollo en este ámbito.

El grupo CIMITEC de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) utiliza su amplia experiencia en el diseño de circuitos planares de microondas para la aplicación de estas tecnologías al desarrollo de nuevos sensores de distintos tipos, y que tienen múltiples ámbitos de aplicación. Las microondas son ondas electromagnéticas con una frecuencia de entre 300 MHz y 300 GHz que se utilizan principalmente en sistemas de comunicaciones, tales como televisión, telemetría, satélites, radares… Los circuitos para este tipo de sistemas suelen ser implementados evitando el uso de componentes electrónicos discretos (condensadores, inductores), ya que en muchos casos no se comportan adecuadamente a altas frecuencias. Se utilizan sólo conductores metálicos convenientemente estructurados sobre un soporte dieléctrico, material aislante que puede ser polarizado por las ondas electromagnéticas (ejemplos de materiales dieléctricos son aire, papel, vidrio, cerámica, plásticos, entre muchos otros). Es por ello por lo que nos podemos referir a estos circuitos como circuitos planares de microondas. Se puede observar un ejemplo típico de un circuito de este tipo en la Figura 1. CIMITEC-UAB se dedicó intensivamente en sus inicios a la innovación en el diseño de dichos componentes, tales como filtros, diplexores, mezcladores, antenas, etc., ampliamente usados en sistemas de radiocomunicaciones. Posteriormente se demostró que estos elementos pueden ser también aplicados al desarrollo de diversos tipos de sensores, ya que el comportamiento de las microondas depende fuertemente del material con el que interactúan, ofreciendo así la posibilidad de obtener dispositivos con altas prestaciones (alta sensibilidad, bajo coste, compatibilidad con las tecnologías planares, etc.). El grupo se ha dedicado principalmente al desarrollo de sensores de control de movimiento (desplazamiento, posición, velocidad…) y sensores para la caracterización y análisis de materiales (detección de componentes, detección de defectos, etc.).

Los sensores para el control de movimiento propuestos se asemejan en cuanto a principio de funcionamiento a los llamados codificadores o “encoders” ópticos, ampliamente utilizados en el mundo de la automatización industrial, entre otros. Consisten en una parte móvil opaca (por ejemplo, un disco metálico) con una cadena de aberturas. Una fuente emite luz que llega o no a un detector óptico fijo (lector) en función de estas aperturas, generando una señal eléctrica de salida que proporcionará información referente al movimiento del sistema (velocidad, posición). Sin embargo, los encoders ópticos pueden presentar dificultades para funcionar correctamente en ambientes con suciedad, grasa, polvo o radiación. Los sistemas propuestos por el grupo CIMITEC-UAB funcionan mediante señales electromagnéticas de alta frecuencia (microondas), que alimentan la parte fija del sensor (un circuito planar de microondas adecuadamente diseñado) y pueden detectar el movimiento de la parte móvil, formada por una cadena de patrones metálicos (u otro material conductor), en lugar de las aperturas de los encoders ópticos Figura 2). De ahí que podamos llamar a estos dispositivos “encoders electromagnéticos”, que son más resistentes a los ambientes extremos como los que se comentaban anteriormente. Ejemplos de aplicación son el control de maquinaria industrial o de ascensores o elevadores.

Por sus características, los encoders electromagnéticos pueden usarse como etiquetas de Identificación por Radiofrecuencia sin chip (Chipless RFID). La identificación por radiofrecuencia (RFID, del inglés Radio Frequency IDentificaction) es una tecnología que permite la identificación de elementos a nivel individual, a diferencia de los códigos de barras que solamente identifican el producto de forma genérica. De esta forma es posible obtener la trazabilidad total de cada unidad y facilita el control logístico y el inventariado. A cada elemento que se desea identificar debe adherirse una etiqueta RFID, que contiene una antena, para la comunicación con un dispositivo lector, y un circuito integrado (chip) encargado de almacenar la información. Actualmente este sistema se usa principalmente en el sector moda-textil, y es que el precio de una etiqueta RFID aún puede resultar demasiado elevado para ciertos productos, a causa de la presencia del chip, que aumenta el coste del etiquetaje. Es por ello que se empezó a investigar en el desarrollo de tecnologías que evitaran el uso de este chip. Estas nuevas tecnologías presentan limitaciones en cuanto a la distancia de lectura y la capacidad de almacenamiento de información. La tecnología propuesta por CIMITEC-UAB permite obtener etiquetas de identificación con gran cantidad de datos, sólo limitada por las dimensiones del elemento o etiqueta, sin incrementar el coste ni la complejidad del lector. Si bien la distancia de lectura sigue siendo limitada, no supone un impedimento para su aplicación en identificación y control documental, autenticación, identificación de elementos de bajo coste, pero que puede resultar interesante trazar (p.e., ciertos tipos de medicamentos), o control de residuos y reciclaje, entre otros.

Los sensores de caracterización dieléctrica desarrollados, gracias a sus altas prestaciones, permiten detectar la concentración total de ciertos componentes en líquidos y su monitorización en tiempo real, así como detectar defectos o degradación en materiales sólidos, o estimar el grado de humedad. Ejemplos de aplicación pueden ser la detección de cambios en la concentración de electrolitos en orina o sangre, o la monitorización de procesos industriales, como la fermentación de vinos, y procesos de limpieza, entre otros. Se puede observar uno de los prototipos desarrollados en la Figura 3.

Los dispositivos se pueden fabricar usando técnicas ampliamente conocidas, como son las técnicas estándar de fabricación de circuitos impresos (fresado, serigrafía, fotograbado), así como también la impresión por inyección de tintas conductivas o técnicas de impresión 3D, y tienen un bajo coste. Además, es posible usar para su fabricación materiales reciclables (polímeros, papel), biodegradables u orgánicos, de manera que se pueden obtener dispositivos sostenibles desde el punto de vista medioambiental.

El proyecto financiado por la AEI pretende construir dos prototipos completos: un demostrador de encoder electromagnético y sistema de identificación, y otro para la caracterización de materiales (sólidos y líquidos). Estos demostradores incluirán los sensores, las estructuras físicas y mecánicas necesarias y los circuitos electrónicos de generación y control de señales. Los prototipos permitirán realizar pruebas de campo para la validación de la tecnología propuesta, acercándola así a su uso por parte de la industria y la sociedad.