Projeto de potenciostato com espelho de corrente CMOS aplicado a uma célula eletroquímica de três eletrodos
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Coorientador(es)
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Salles, Luciana Pedrosa
Cotta, Eduardo Adriano
Passos, Raimundo Ribeiro
Pocrifka, Leandro Aparecido
Cotta, Eduardo Adriano
Passos, Raimundo Ribeiro
Pocrifka, Leandro Aparecido
Pós-Graduação
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Universidade Federal do Amazonas
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Resumo
Dispositivos eletrônicos voltados para aplicações em instrumentação eletrônica e pesquisas
em química analítica despertam grande interesse devido à sua ampla aplicabilidade, tanto em
pesquisas aplicadas quanto no ambiente industrial. Esses dispositivos, que são compostos por
sensores eletroquímicos de alta sensibilidade e seletividade, possibilitam análises precisas na
detecção de diversos compostos químicos e biológicos, como oxigênio, glicose, metais
tóxicos para o meio ambiente, além de moléculas antioxidantes, bioquímicas e DNA. Tais
aplicações são particularmente relevantes para o monitoramento ambiental e áreas
biomédicas. As técnicas eletroquímicas empregadas nesses sensores apresentam vantagens
significativas em comparação a outros métodos de detecção, como elevada sensibilidade, boa
seletividade, ampla aplicabilidade e baixo custo no desenvolvimento e implementação física
do dispositivo. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um novo circuito compacto
projetado para um potenciostato CMOS, aplicado a uma célula eletroquímica de três
eletrodos. A topologia proposta atua como uma interface de circuito, controlando a
polarização de sinais de tensão nos eletrodos do sensor, além de facilitar a medição de
corrente durante o processo de oxidação-redução da solução analisada. O potenciostato foi
desenvolvido utilizando tecnologia CMOS e é composto por um amplificador de dois
estágios, dois blocos de espelho de corrente acoplados ao amplificador, além um estágio de
saída push-pull inverter CMOS. O método eletroquímico de voltametria cíclica foi
empregado, operando em uma faixa de tensão de ±0,8 V e taxas de varredura de 10 mV/s, 25
mV/s, 100 mV/s e 250 mV/s. O circuito é capaz de medir correntes que variam de 10 μA a
500 μA. Os resultados experimentais foram obtidos utilizando uma solução redox de
ferricianeto de potássio K3[Fe(CN)6] com concentrações de 10, 15 e 20 mmol/L, cujos
voltamogramas correspondentes foram avaliados. Os resultados demonstraram que a
topologia do potenciostato proposto apresenta desempenho consistente com equipamento
comercial. Além disso, sua implementação com componentes discretos fabricados através de
processos em tecnologia CMOS permite a integração em sistemas mais compactos e
eficientes, reduzindo tanto o tamanho quanto o custo de dispositivos eletroquímicos, sem
comprometer a precisão e a confiabilidade das análises.
Abstract
Electronic devices for electronic instrumentation and analytical chemistry research
applications are of great interest due to their wide applicability, both in applied research and
in the industrial environment. These devices, which are composed of highly sensitive and
selective electrochemical sensors, enable accurate analyses in the detection of various
chemical and biological compounds, such as oxygen, glucose, metals that are toxic to the
environment, as well as antioxidant and biochemical molecules and DNA. Such applications
are particularly relevant for environmental monitoring and biomedical areas. The
electrochemical techniques employed in these sensors present significant advantages
compared to other detection methods, such as high sensitivity, good selectivity, wide
applicability and low cost in the development and physical implementation of the device. In
this context, this work presents a new compact circuit designed for a CMOS potentiostat,
applied to a three-electrode electrochemical cell. The proposed topology acts as a circuit
interface, controlling the polarization of voltage signals on the sensor electrodes, in addition
to facilitating the measurement of current during the oxidation-reduction process of the
analyzed solution. The potentiostat was developed using CMOS technology and consists of a two-stage amplifier, two current mirror blocks coupled to the amplifier, and a CMOS pushpull inverter output stage. The electrochemical cyclic voltammetry method was employed, operating in a voltage range of ±0.8 V and scan rates of 10 mV/s, 25 mV/s, 100 mV/s, and 250 mV/s. The circuit is capable of measuring currents ranging from 10 μA to 500 μA. The
experimental results were obtained using a redox solution of potassium ferricyanide
K3[Fe(CN)6] with concentrations of 10, 15, and 20 mmol/L, whose corresponding
voltammograms were evaluated. The results demonstrated that the topology of the proposed
potentiostat presents performance consistent with commercial equipment. Furthermore, its
implementation with discrete components manufactured using CMOS technology processes
allows integration into more compact and efficient systems, reducing both the size and cost of electrochemical devices, without compromising the accuracy and reliability of analyses.
Descrição
Palavras-chave
Termo controlado
Baterias elétricas; Voltametria ciclica; Circuitos eletrônicos; Eletroquímica
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)
Citação
SOUZA, Alexandre Kennedy Pinto. Projeto de potenciostato com espelho de corrente CMOS aplicado a uma célula eletroquímica de três eletrodos. 2024. 71 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus, 2024.
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