Os crescentes problemas relacionados à poluição do meio ambiente colocam desafios para o desenvolvimento de sistemas de sensores integrados e portáteis que permitam o monitoramento do ambiente em tempo real. Nesse sentido, no presente trabalho foi projetado e implementado um sistema de aquisição, processamento de sinais e geração de imagens químicas aplicado para a medição do nível de pH e detecção de metais pesados e elementos patogênicos totalmente integrado e construído na placa sbRIO-9631. O sistema foi desenvolvido e integrado um amplificador Lock-in digital para leitura de valores de mudança de fase e intensidade dos sinais provenientes de sensores optoeletrônicos LAPS, TAOS e FMOS. Foi também desenvolvido e integrado a um sistema automatizado de controle de mistura de gases para realizar ensaios de calibração do sensor e medições de tempo de resposta dos sensores. Também foi integrado um sistema automatizado de escaneamento XY de fonte de luz de excitação para os sensores ópticos utilizando um display OLED-128-G1. Este sistema ainda pode ser integrado a dispositivos móveis via Internet para transferência de dados a centros de pesquisa e monitoramento. O sistema integrado com todas as unidades acima descritas mostrou ser um sistema portátil, reconfigurável e eficiente para a aquisição e processamento de sinais de resposta de diversos tipos de sensores tais com LAPS, TAOS e FMOS. / The problems of environment pollution increasingly growing and pose challenges for the development of integrated and portable sensor systems that allow the monitoring of the environment in real time. In that sense in the present work was designed and implemented an acquisition system, signal processing and chemical Imaging generation to apply in the pH level measurement and the detection of heavy metals and pathogenic elements fully integrated and built on the sbRIO-9631 board. In the system was developed and integrated a digital Lock-in amplifier for reading values of phase shift and intensity of the signals coming from optoelectronic sensors LAPS, TAOS and FMOS. It was also developed and integrated on the sbRIO-9636 an automated gas mixture control system to perform tests for calibration of the sensor and measure the sensor response time. It was developed and integrated an automated XY scan system for light source to excited optical sensors using a OLED-128-G1 display. This system can be integrated into mobile devices via Internet for transferring data to research and monitoring centers. The integrated system with all the units described above proved to be a portable, reconfigurable and efficient system for data acquisition and signal processing from many types of sensors such as LAPS, TAOS and FMOS.

O desenvolvimento de sensores em sistemas para controle ambiental tem-se mostrado uma área de elevado interesse científico e técnico. Os principais desafios nesta área estão relacionados ao desenvolvimento de sensores com capacidade de detecção de várias substâncias. Neste contexto, os capacitores MOS apresentam-se como dispositivos versáteis para a geração de imagens químicas com potencial de detecção e classificação de diferentes substâncias a partir de apenas um único sensor. No presente trabalho, foi proposto um sensor MOS com um perfil geométrico de porta em forma de cata-vento composta por Pd, Au e Pt. A resposta do sensor mostrou ter alta sensibilidade a moléculas ricas em átomos de H, como os gases H2 e NH3. As medidas de capacitância mostraram que o sensor tem uma resposta não linear para H2 e NH3 obedecendo à lei da isoterma de Langmuir. O sensor MOS mostrou-se eficiente na geração de imagens químicas através da técnica de escaneamento por luz pulsada. As imagens químicas correspondentes aos gases H2 e NH3 mostraram diferentes padrões quando o N2 foi utilizado como gás transportador. A diferença entre os padrões aconteceu principalmente devido ao perfil geométrico da porta metálica. A sensibilidade do sensor mostrou dependência com o potencial de polarização. Nas medidas de capacitância, a maior sensibilidade foi observada para potenciais próximos da tensão de banda plana. Já para as imagens químicas, a maior sensibilidade foi observada para potenciais inteiramente na região de depleção. A sensibilidade do sensor também se mostrou dependente do gás transporta- dor. O sensor mostrou ser mais sensível com N2 como gás transportador do que com ar seco. No entanto, o processo de dessorção dos íons H+ resultou ser mais eficiente em ar seco. Os resultados obtidos no presente trabalho sugerem a possibilidade de fabricação de um nariz optoeletrônico utilizando apenas um único sensor MOS. / The development of sensors and systems for environmental control has been shown to be an area of high scientific and technical interest. The main challenges in this area are related to the development of sensors capable of detecting many different substances. In this context, the MOS devices present themselves as versatile devices for chemical imaging with potential for detection and classification of different substances only using one single sensor. In the present work, was proposed a MOS sensor with a wing-vane geometric profile of its gate constituted of Pd, Au and Pt metals. The sensor\'s response showed to have high sensitivity to molecules rich on H atoms, such as H2 and NH3 gases. Capacitance measurements showed that the sensor has a nonlinear response for H2 and NH3 obeying the Langmuir isotherm law. The MOS sensor proved to be efficient in Chemical Imaging generation through the scanned light pulse technique. The chemical images of the H2 and NH3 gases showed different patterns when the N2 was used as carrier gas. The different patterns responses happened mainly due to geometric profile of the metallic gate. The sensor sensitivity showed dependence on the bias potential. In the capacitance measures, greater sensitivity was observed for potential near the flat-band voltage. In the chemical images, the greater sensitivity was observed for bias potential within depletion region. The sensor sensitivity was also dependent on the carrier gas. The sensor showed to be more sensitive with N2 as carrier gas than to dry air. However the desorption process of H+ have been more efficient in dry air. The results obtained in the present work suggest the possibility of manufacturing an optoelectronic nose using only a single MOS sensor.

Os crescentes problemas relacionados à poluição do meio ambiente colocam desafios para o desenvolvimento de sistemas de sensores integrados e portáteis que permitam o monitoramento do ambiente em tempo real. Nesse sentido, no presente trabalho foi projetado e implementado um sistema de aquisição, processamento de sinais e geração de imagens químicas aplicado para a medição do nível de pH e detecção de metais pesados e elementos patogênicos totalmente integrado e construído na placa sbRIO-9631. O sistema foi desenvolvido e integrado um amplificador Lock-in digital para leitura de valores de mudança de fase e intensidade dos sinais provenientes de sensores optoeletrônicos LAPS, TAOS e FMOS. Foi também desenvolvido e integrado a um sistema automatizado de controle de mistura de gases para realizar ensaios de calibração do sensor e medições de tempo de resposta dos sensores. Também foi integrado um sistema automatizado de escaneamento XY de fonte de luz de excitação para os sensores ópticos utilizando um display OLED-128-G1. Este sistema ainda pode ser integrado a dispositivos móveis via Internet para transferência de dados a centros de pesquisa e monitoramento. O sistema integrado com todas as unidades acima descritas mostrou ser um sistema portátil, reconfigurável e eficiente para a aquisição e processamento de sinais de resposta de diversos tipos de sensores tais com LAPS, TAOS e FMOS. / The problems of environment pollution increasingly growing and pose challenges for the development of integrated and portable sensor systems that allow the monitoring of the environment in real time. In that sense in the present work was designed and implemented an acquisition system, signal processing and chemical Imaging generation to apply in the pH level measurement and the detection of heavy metals and pathogenic elements fully integrated and built on the sbRIO-9631 board. In the system was developed and integrated a digital Lock-in amplifier for reading values of phase shift and intensity of the signals coming from optoelectronic sensors LAPS, TAOS and FMOS. It was also developed and integrated on the sbRIO-9636 an automated gas mixture control system to perform tests for calibration of the sensor and measure the sensor response time. It was developed and integrated an automated XY scan system for light source to excited optical sensors using a OLED-128-G1 display. This system can be integrated into mobile devices via Internet for transferring data to research and monitoring centers. The integrated system with all the units described above proved to be a portable, reconfigurable and efficient system for data acquisition and signal processing from many types of sensors such as LAPS, TAOS and FMOS.

O desenvolvimento de sensores em sistemas para controle ambiental tem-se mostrado uma área de elevado interesse científico e técnico. Os principais desafios nesta área estão relacionados ao desenvolvimento de sensores com capacidade de detecção de várias substâncias. Neste contexto, os capacitores MOS apresentam-se como dispositivos versáteis para a geração de imagens químicas com potencial de detecção e classificação de diferentes substâncias a partir de apenas um único sensor. No presente trabalho, foi proposto um sensor MOS com um perfil geométrico de porta em forma de cata-vento composta por Pd, Au e Pt. A resposta do sensor mostrou ter alta sensibilidade a moléculas ricas em átomos de H, como os gases H2 e NH3. As medidas de capacitância mostraram que o sensor tem uma resposta não linear para H2 e NH3 obedecendo à lei da isoterma de Langmuir. O sensor MOS mostrou-se eficiente na geração de imagens químicas através da técnica de escaneamento por luz pulsada. As imagens químicas correspondentes aos gases H2 e NH3 mostraram diferentes padrões quando o N2 foi utilizado como gás transportador. A diferença entre os padrões aconteceu principalmente devido ao perfil geométrico da porta metálica. A sensibilidade do sensor mostrou dependência com o potencial de polarização. Nas medidas de capacitância, a maior sensibilidade foi observada para potenciais próximos da tensão de banda plana. Já para as imagens químicas, a maior sensibilidade foi observada para potenciais inteiramente na região de depleção. A sensibilidade do sensor também se mostrou dependente do gás transporta- dor. O sensor mostrou ser mais sensível com N2 como gás transportador do que com ar seco. No entanto, o processo de dessorção dos íons H+ resultou ser mais eficiente em ar seco. Os resultados obtidos no presente trabalho sugerem a possibilidade de fabricação de um nariz optoeletrônico utilizando apenas um único sensor MOS. / The development of sensors and systems for environmental control has been shown to be an area of high scientific and technical interest. The main challenges in this area are related to the development of sensors capable of detecting many different substances. In this context, the MOS devices present themselves as versatile devices for chemical imaging with potential for detection and classification of different substances only using one single sensor. In the present work, was proposed a MOS sensor with a wing-vane geometric profile of its gate constituted of Pd, Au and Pt metals. The sensor\'s response showed to have high sensitivity to molecules rich on H atoms, such as H2 and NH3 gases. Capacitance measurements showed that the sensor has a nonlinear response for H2 and NH3 obeying the Langmuir isotherm law. The MOS sensor proved to be efficient in Chemical Imaging generation through the scanned light pulse technique. The chemical images of the H2 and NH3 gases showed different patterns when the N2 was used as carrier gas. The different patterns responses happened mainly due to geometric profile of the metallic gate. The sensor sensitivity showed dependence on the bias potential. In the capacitance measures, greater sensitivity was observed for potential near the flat-band voltage. In the chemical images, the greater sensitivity was observed for bias potential within depletion region. The sensor sensitivity was also dependent on the carrier gas. The sensor showed to be more sensitive with N2 as carrier gas than to dry air. However the desorption process of H+ have been more efficient in dry air. The results obtained in the present work suggest the possibility of manufacturing an optoelectronic nose using only a single MOS sensor.

O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um dispositivo MOS como sensor de imagem química para a detecção e classificação de gases de hidrogênio e amônia através da técnica de escaneamento de luz pulsada (TELP). O dispositivo MOS foi fabricado sobre substrato de silício (100) e resistividade de 10 -cm. A porta do dispositivo foi constituída de um eletrodo bimetálico de Au-Pd com espessura nanométrica. Foi proposto um sistema automático de posicionamento X Y para o escaneamento do feixe de luz pulsada baseado no controle PID e no software Labview®. O processo de aquisição de dados foi também automatizado via instrumentação virtual definida pelo software Labview®. A partir das curvas CxV dos capacitores MOS foram extraídos os parâmetros estruturais dos dispositivos mostrando-se estes valores concordantes com os valores definidos no projeto inicial. Adicionalmente foi determinada a largura máxima da camada de depleção sendo este parâmetro importante na sensibilidade da resposta do sensor. O dispositivo MOS em ambiente inerte (N2) apresentou máxima sensibilidade de fotocorrente para polarização de 0,6 V correspondente à máxima largura de depleção. Em ambientes de H2 e NH3, o máximo de sensibilidade foi deslocado para tensões menores a 0,6 V atribuindo-se este fato à adsorção de átomos de Hidrogênio na interface metal/SiO2. As imagens químicas obtidas a partir da resposta do sensor MOS em modo de operação TELP para ambientes de H2 e NH3, respectivamente, apresentaram padrões característicos a cada tipo de gás independentemente da concentração utilizada permitindo a classificação plena destes gases. Os resultados obtidos no presente trabalho sugerem a possibilidade de implementação de um sistema de nariz eletrônico apenas utilizando um único sensor. / The aim of the present work is the development of a MOS device as a sensor of chemical image, for the detection and classification of hydrogen and ammonia gases, through the Scanning Light Pulse Technique (SLPT). The MOS device was fabricated onto silicon bulk (100) and resistivity of 10 -cm. The gate of the device was built from an Au-Pd bimetallic electrode, with nanometric thickness. It was proposed an X Y automatic position system for scanning the light pulsed beam, based on the PID control and on the Labview® software. The data acquisition process was also automated via virtual instrumentation defined by the Labview® software. From the C x V characteristic curves of the MOS capacitors, the device structural parameters were extracted, showing accordance with values defined in the initial project. Furthermore, it was determined the maximum depletion layer width. This parameter is important for the sensibility response of the sensor. The MOS device, in inert environment (N2), has shown photocurrent maximum sensibility for 0,6 V polarization, corresponding to the maximum depletion layer width. In H2 and NH3 environments, the maximum sensibility was dislocated for voltages lower than 0,6V, attributing it to the hydrogen atom adsorption at the metal/SiO2 interface. The chemical images obtained from the MOS sensor response, in SLPT operation mode for H2 and NH3 environments, respectively, showed characteristic patterns to each kind of gas, independent of the concentration used, allowing the complete classification of these gases. The results obtained in the present work suggest the possibility of implementing an electronic nose system, using only one sensor.

O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um dispositivo MOS como sensor de imagem química para a detecção e classificação de gases de hidrogênio e amônia através da técnica de escaneamento de luz pulsada (TELP). O dispositivo MOS foi fabricado sobre substrato de silício (100) e resistividade de 10 -cm. A porta do dispositivo foi constituída de um eletrodo bimetálico de Au-Pd com espessura nanométrica. Foi proposto um sistema automático de posicionamento X Y para o escaneamento do feixe de luz pulsada baseado no controle PID e no software Labview®. O processo de aquisição de dados foi também automatizado via instrumentação virtual definida pelo software Labview®. A partir das curvas CxV dos capacitores MOS foram extraídos os parâmetros estruturais dos dispositivos mostrando-se estes valores concordantes com os valores definidos no projeto inicial. Adicionalmente foi determinada a largura máxima da camada de depleção sendo este parâmetro importante na sensibilidade da resposta do sensor. O dispositivo MOS em ambiente inerte (N2) apresentou máxima sensibilidade de fotocorrente para polarização de 0,6 V correspondente à máxima largura de depleção. Em ambientes de H2 e NH3, o máximo de sensibilidade foi deslocado para tensões menores a 0,6 V atribuindo-se este fato à adsorção de átomos de Hidrogênio na interface metal/SiO2. As imagens químicas obtidas a partir da resposta do sensor MOS em modo de operação TELP para ambientes de H2 e NH3, respectivamente, apresentaram padrões característicos a cada tipo de gás independentemente da concentração utilizada permitindo a classificação plena destes gases. Os resultados obtidos no presente trabalho sugerem a possibilidade de implementação de um sistema de nariz eletrônico apenas utilizando um único sensor. / The aim of the present work is the development of a MOS device as a sensor of chemical image, for the detection and classification of hydrogen and ammonia gases, through the Scanning Light Pulse Technique (SLPT). The MOS device was fabricated onto silicon bulk (100) and resistivity of 10 -cm. The gate of the device was built from an Au-Pd bimetallic electrode, with nanometric thickness. It was proposed an X Y automatic position system for scanning the light pulsed beam, based on the PID control and on the Labview® software. The data acquisition process was also automated via virtual instrumentation defined by the Labview® software. From the C x V characteristic curves of the MOS capacitors, the device structural parameters were extracted, showing accordance with values defined in the initial project. Furthermore, it was determined the maximum depletion layer width. This parameter is important for the sensibility response of the sensor. The MOS device, in inert environment (N2), has shown photocurrent maximum sensibility for 0,6 V polarization, corresponding to the maximum depletion layer width. In H2 and NH3 environments, the maximum sensibility was dislocated for voltages lower than 0,6V, attributing it to the hydrogen atom adsorption at the metal/SiO2 interface. The chemical images obtained from the MOS sensor response, in SLPT operation mode for H2 and NH3 environments, respectively, showed characteristic patterns to each kind of gas, independent of the concentration used, allowing the complete classification of these gases. The results obtained in the present work suggest the possibility of implementing an electronic nose system, using only one sensor.