Microsensores para la monitorización in situ de la degradación de aceites en motores y transformadores

Resumen

Microelectrónica y Microsistemas se consideran dos de las tecnologías más prometedoras del presente siglo, siendo ya notable su impacto en todos los ámbitos de la sociedad. En este sentido, el desarrollo de microsensores ha estado estrechamente vinculado desde sus inicios a la monitorización en tiempo real de sistemas y procesos, ofreciendo capacidades y funcionalidades inaccesibles para otras tecnologías. Los aceites industriales desempeñan un papel clave en el correcto funcionamiento de equipos y sistemas y su inevitable degradación, implica un serio riesgo para la actividad de estos equipos e incluso para su integridad. Es necesario por tanto analizar las funciones principales de los aceites aislantes y lubricantes y sus parámetros más representativos a la hora de evaluar su idoneidad para una aplicación y su degradación a lo largo de su vida útil. El análisis de aceites, tradicionalmente, estos análisis se ha realizado off-line con carácter periódico, sin embargo, la tendencia actual es realizar un seguimiento continuo del estado de los aceites mediante medidas in situ. En este contexto, en el presente trabajo se propone una solución MEMS para la monitorización continua de aceites lubricantes para motores y aceites dieléctricos para transformadores. Concretamente, tres son las características seleccionadas para su seguimiento: viscosidad del aceite, presencia de partículas metálicas y contenido de agua. Los microsensores propuestos son: un dispositivo SAW (Surface Acoustic Wave) para la medida de viscosidad y una estructura IDE (Inter Digitated Electrodes) para la medida de conductividad y constante dieléctrica, que a su vez se vinculan respectivamente a la presencia de partículas metálicas y el contenido de agua. Complementariamente, una estructura RTD (Resistance Temperature Detector) proporciona la temperatura del aceite, parámetro imprescindible para interpretar correctamente las medidas de SAW e IDE. La estructura básica de un dispositivo SAW está constituida por un sustrato piezoeléctrico sobre el que se ubican dos pares de electrodos interdigitados denominados habitualmente Inter Digital Transducers (IDT). Perturbaciones (cambios de masa, campos eléctricos o propiedades físicas del medio en que se hallan inmersos) en la superficie del material a través del cual se transmite la onda acústica provocan cambios en la velocidad y la amplitud de la onda que se reflejan en la señal eléctrica recogida en el receptor. La estructura IDE, Inter Digital Electrodes, tal y como su nombre indica, está constituida por dos electrodos de geometría interdigitada. La inmersión de ambos electrodos en el medio que se pretende caracterizar, permite monitorizar las componentes resistiva y capacitiva de su impedancia, y por lo tanto, su conductividad y constante dieléctrica. Una estructura RTD, Resistance Thermal Detector, está constituida por un elemento resistivo cuya resistencia eléctrica varía con la temperatura. La temperatura del medio en el que se halla inmerso el microsensor se determina a partir de la resistencia del elemento resistivo, el cual se encuentra en equilibrio térmico con dicho medio. Se han definido los procesos de fabricación de los tres microsensores propuestos, estableciendo los parámetros asociados a las diferentes etapas del proceso. Los microsensores fabricados han sido caracterizados con objeto de determinar sus prestaciones para la monitorización de las características seleccionadas. Se ha analizado la influencia de parámetros geométricos, estructura y materiales en la señal de salida de los microdispositivos ante diferentes muestras patrón y se ha determinado sensibilidad, estabilidad temporal y deriva térmica de los mismos.