O documento apresenta um curso sobre sensores e transdutores ministrado para estudantes de engenharia. O curso aborda a história dos sensores, classificações, diferenças entre sensores e transdutores, características, aplicações como biossensores e construção de um biossensor eletroquímico.

1. Capa Emily
Curso Sensores e Transdutores

2. Um pouco sobre mim
• Graduando de Engenharia Elétrica na Universidade Estadual de
Maringá;
• Membro do Ramo IEEE UEM desde março de 2019 e do
Capítulo CS (Computer Society);
• Presidente da Área bioENG IEEE UEM;
• Membro do Núcleo de Desenvolvimento de Motores (VASFE).
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Área bioENG IEEE UEM

3. Objetivos do Curso
• Demonstrar aspectos teóricos, a necessidade de possuir um dispositivo para
o controle de algo, principalmente na área da saúde;
• Demonstrar a importância desses componentes em um contexto histórico e a
necessidade atual de desenvolvermos esse tipo de ciência;
• Demonstrar métodos e formas de construir um biossensor.
Duração
• Sexta-feira (10/7)  19:00 – 21:00
• Sábado (11/7)  19:00 – 20:00
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Área bioENG IEEE UEM

4. Conteúdo Drive
Parte I
• Uma viagem de volta a história da humanidade e sua necessidade de medir;
• Qual a diferença entre Sensores e Transdutores?
• Classificações e características de Sensores e Transdutores;
• Aplicações e seus funcionamentos;
• Introdução aos biossensores e biomarcadores.
Parte II
• Aplicações na indústria alimentícia e medicina;
• Biossensor para o teste de COVID-19;
• Construção e funcionamento de um biossensor eletroquímico amperométrico;
• Filtros e Ferramentas.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Tema [REFE][RÊN][CIAS]

5. Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história

6. Egito Antigo
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história [1][4]
Acredita-se que o Cúbito é a mais antiga
medida de dimensão conhecida, utilizada
pelos egípcios na construção de pirâmides.
Com o início da geometria no Egito, a
partir da medição de terras, gerou a exatidão
dos projetos criados, sendo que o erro médio
de 1,5 mm é constatado na construção da
pirâmide Khufu.

7. Relógios de Sol
O instrumento mais antigo, datado
por historiadores, com o objetivo de
marcar a passagem do tempo ao longo
do dia.
Depois de um tempo, outras civilizações,
como os gregos (Gnômon) e árabes (ponteiro
e ângulo), desenvolveram outros tipos de
relógios.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história [1][4]

8. John Harrison, o inventor
do relógio marítimo
Desde 1761, John Harisson havia feito alguns
protótipos e se concretizou depois de 12 anos de
rejeição pelo Comitê da Longitude do governo
britânico.
O relógio marítimo foi uma grande
conquista para a navegação, pois ainda era uma
grande dúvida aferir, com precisão, a longitude em
alto mar.
O Prêmio Longitude, criado quando tinha 17
anos, foi conquistado por Harrison aos 80 anos,
ganhando a quantia de 20 mil libras.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história [1][4]

9. Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história [1][4]

10. Da Vinci e as Leis da Natureza
Leonardo da Vinci, um dos maiores gênios
que já existiu, tinha sua própria maneira de
agradecer a Deus, de acordo com um historiador
russo (Akim Volinsky) a tradução literal seria:
“Oh Lord, thank you for following Thy
own laws.”
Insinuando que é reconfortante ter o atributo
da imutabilidade em leis naturais ao longo do
tempo, fazendo com que a humanidade se
aperfeiçoe a cada vez mais durante os tempos.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Um pouco de história [1][4]

11. Por que saber sobre Sensores e
Transdutores?
• Automação industrial, bancária, veicular, residencial...;
• Análise laboratorial;
• Análise clínica;
• Aferir distância, direção, sentido;
• Ter controle sobre sistemas e produções.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações

12. Qual a diferença entre Transdutor e
Sensor?
O sensor é o elemento que usa um fenômeno natural com a
finalidade de “sentir” a grandeza que está sendo medida.
“Observar para controlar”
O transdutor é o componente que converte a informação
sentida pelo sensor em um sinal detectável, geralmente em uma
tensão.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

13. “Natural vs. Man-made”
Os sensores naturais, encontrados em organismos
vivos, geralmente respondem com sinais de características
eletroquímicas, ou seja, baseado em transporte de íons. Assim
como acontece no axônio de um neurônio.
Em sensores feitos pelo homem, o processo da resposta
também é elétrico, no entanto é baseado em transporte de
elétrons.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

14. Classificações dos Transdutores
Nome Estímulo pode ser transformado em
Mecânico Deslocamento, movimento, pressão
Resistivo Tensão (variação da resistência elétrica, alteração
Capacitivo no valor da capacitância, indutância)
Indutivo Campo Magnético
Magnético Cor, padrões, frequência
Óptico Amplitude
Acústico Alteração da condutividade elétrica
Químico Atividade enzimática, metabólica
Biológico
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

15. Classificações dos Sensores
• Passivos e Ativos
Os sensores passivos devem ter alimentação
para gerar um sinal de saída. Um exemplo é uma
termoresistência, a qual requer uma entrada de
energia para excitar o resistor.
Os sensores ativos produzem um sinal
elétrico de saída sem a necessidade de uma
alimentação externa. Um exemplo disso, análogo
ao anterior, é o termopar.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

16. Sensor direto
Sensor híbrido
Transdutor 1 Transdutor 2 Transdutor 3
Transdutor 1
Controle
Controle
Controle
Estímulo
Estímulo
Estímulo
e
e
e
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

17. Classificações dos Sensores
- Sensores Analógicos ou Digitais
(Potenciômetro ou Encoder)
- Sensores Absolutos ou Incrementais
(Potenciômetro ou Encoder)
- Sensores Contínuos ou Sensores Discretos
(Resistor Variável ou Chaves)
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

18. Características Estáticas
• Sensibilidade;
• Linearidade;
• Resolução;
• Faixa de operação;
• Histerese;
• Threshold;
• Zona morta;
• Relação sinal/ruído.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

19. Características Estáticas
• Sensibilidade
Após o regime permanente ser alcançado,
a sensibilidade é dada como a razão entre a
variação de entrada com a variação da saída.
• Linearidade
Para sensores lineares, ao qual o sinal de
saída deve ser diretamente proporcional ao sinal
de entrada, a linearidade busca indicar possíveis
erros que indicam o afastamento do que seria
ideal
𝑘 =
∆ 𝑂𝑈𝑇
∆𝐼𝑁
∆ 𝑂𝑈𝑇
∆𝐼𝑁
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

20. Características Estáticas
• Resolução
É a menor variação no sinal de entrada que
resulta em algo mensurável na saída.
• Faixa de Operação
A faixa de operação é quando a sensibilidade
permanece constante.
• Histerese
É a capacidade de um instrumento medir o
mesmo valor incrementando-se ou decrementando-se
na escala. Característica importante para sensores que
variam sua grandeza rapidamente, como sensores de
temperatura (termostato).
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

21. Características Estáticas
• Threshold
Um nível mínimo de entrada para o
dispositivo sair do estado inicial.
• Zona morta
Faixa ao qual a entrada é alterada mas a
saída permanece constante.
• Relação sinal/ruído (signal to noise ratio)
𝑆𝑁𝑅 = 10 log(
𝑃𝑆
𝑃𝑅
)
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Diferenças e Classificações [2][4][5]

22. Fonte: Revista Quatro Rodas
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações

23. Aplicações Cotidianas
• Você com certeza já cantou usando um transdutor!
• Já estacionou algum carro utilizando a ajuda de um
transdutor!
• Caso você tenha diabetes, já utilizou um transdutor para aferir
sua glicose!
• Alguém já aferiu pressão da sua vó utilizando um transdutor!
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações

24. Microfone
Os microfones são dispositivos
que convertem uma onda mecânica
(som) em um sinal elétrico.
• Existem diversos tipos de microfone,
tais como:
- Carvão
- Dinâmico
- Piezoelétrico
- Eletreto
Cada um com suas diferentes
maneiras de converter uma onda de
som em um sinal elétrico.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações

25. A física por trás desse dispositivo
• Microfones Dinâmicos e a Lei de Faraday
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações
Imã
Bobina
Bobina
Diafragma
𝜀 = −
∆𝛷
∆𝑡
𝛷 = 𝐵𝐴 cos 𝜃
∆𝑥
∆𝑡
∆𝑥
∆𝑡
𝐵
𝐵

26. Usos do Ultrassom
Ultrassom é o nome dado a uma onda com
frequência superior a 20 KHz. O uso de ultrassom
na medicina é um método de diagnóstico
moderno, ao qual utiliza o eco gerado através das
ondas de alta frequência, com a finalidade de
observar em tempo real as estruturas internas no
organismo do paciente.
Alguns tipos de ultrassonografia:
- Ecocardiograma
- Elastografia
- Transvaginal
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações [3]

27. Física & “Nature vs.
Man-made”
• Piezoeletricidade
O transdutor piezoelétrico é utilizado para gerar
as vibrações a partir de uma tensão oscilando em
alta frequência. O material piezoelétrico é também
utilizado para receber a onda refletida (eco).
Capacidade que alguns cristais possuem de
gerar uma tensão elétrica, a partir de uma pressão
mecânica. Considerando que o efeito piezoelétrico
é um processo reversível, dá a possibilidade de
gerarmos vibrações a partir de uma tensão.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações [3]

28. A física por trás desse dispositivo
• Impedância Acústica
Densidade do meio de propagação do som
Velocidade de propagação do som no meio
• Refração
• Atenuação
Causada principalmente pelo espalhamento
das ondas e absorção nos tecidos em forma de
calor.
𝑍 = 𝜌𝑣
𝜌 =
𝑣 =
• Reflexão e Transmissão
𝑅 =
𝑍2 − 𝑍1
𝑍2 + 𝑍1
2
𝜃𝑡
𝜃𝑖
=
𝑣2
𝑣1
𝑇 = 1 − 𝑅
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações [3]

29. Sensor Óptico de Pulso
É um instrumento utilizado para medir
os batimentos cardíacos, é muito encontrado
em “relógios inteligentes” (smartwatch).
A partir de alguns LED’s dispostos na
base do relógio, o fotodiodo é responsável
por observar possíveis alterações na
luminosidade.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações [9]

30. A física por trás desse dispositivo
• Funcionamento
O volume se altera no leito
microvascular do tecido, devido ao
pulso de pressão, a luminosidade
que incide no fotodiodo aumenta,
consequentemente a tensão se
eleva quando ocorre o batimento.
• Fotopletismografia (PPG)
É o gráfico resultante do
sinal que o fotodiodo recebe.
• Fotodiodo
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações [9]

31. Módulos de Sensores (Arduino)
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Aplicações

32. Biossensores
São dispositivos que realizam a leitura ou quantificação de uma certa
substância, as variáveis de interesse de um biossensor normalmente são:
• Concentração de um analito (alvo de análise);
• Sequência de um ácido nucleico (DNA ou RNA);
• Proteína;
• Partícula de um vírus;
• Bactéria.
Com isso, é claro perceber que não há uma ferramenta, vista durante o
curso, com o objetivo de aferir essas variáveis. Sendo assim, um novo
componente de natureza biológica deve ser introduzido, chamado de
bioreceptor.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

33. Bioreceptor
É um material biológico ou biomimético, podendo ser anticorpos,
enzimas, ácidos nucleicos, vírus, bactérias, tecidos e entre outros.
Um bioreceptor irá especificamente se ligar com um analito alvo e o
estimulo segue para o transdutor com o objetivo de um sinal de tensão ser
gerado e interpretado.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

34. Transdutor
Analito
Bioreceptor
Estímulo
Processo de
Amplificação
Controle
Construção básica de um biossensor
e
ee Conversor
A/D
101100
110110
XX,XX
mg/dL
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

35. Tipos de transdutores para diferentes
tipos de biossensores
• Transdutor Eletroquímico
Movimento de íons e difusão de espécies
eletroativas, a partir de uma reação química, com a
utilização de eletrodos. Podem ter três diferentes tipos:
1. Amperométricos
Baseados na medida da corrente resultante da
oxidação ou redução eletroquímica de uma espécie
eletroativa.
WE =Eletrodo de Trabalho
CE = Contra Eletrodo
RE = Eletrodo de Referência
Célula Eletroquímica
REWECE
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

36. Tipos de transdutores para diferentes
tipos de biossensores
2. Potenciométricos
Baseados na determinação da diferença de potencial entre o
eletrodo indicador e o de referência ou dois eletrodos de referência
separados por uma membrana seletiva permeável, em que não há
fluxo de corrente significativa entre eles.
3. Condutimétricos
Baseados na medição de mudanças na condutância, devido
ao uso de enzimas que, ao catalisar reações, produzem ou
consomem espécies iônicas, alterando a quantidade de portadores
de carga móvel no eletrólito.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

37. Tipos de transdutores para diferentes
tipos de biossensores
• Transdutor Óptico
Baseados na medição da luz observada ou emitida como um
resultado de uma reação química ou biológica.
• Transdutor Piezoelétrico
Baseados no princípio de revestir a superfície do biossensor com
uma substância biologicamente ativa que se liga seletivamente podendo
resultar em uma alteração de massa, microviscosidade, onda de
cisalhamento ou superfície acústica.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

38. Tipos de transdutores para diferentes
tipos de biossensores
• Transdutor Calorimétrico
Detectam substratos baseados no calor envolvido nas reações
bioquímicas do analito com uma substância biológica ativa adequada,
como uma enzima.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [5][6][8]

39. Biomarcadores
São substâncias encontradas nos fluídos corporais, que
representam, de alguma forma, o funcionamento de um sistema do
nosso organismo. Podendo indicar doenças para evitar um
diagnóstico tardio.
Nos diferentes fluídos que o nosso corpo excreta todos os dias,
possui a concentração, por mais que seja muito baixa, de substâncias
essenciais para o funcionamento do corpo humano.
Dentre as excreções, se destacam:
- Suor;
- Saliva;
- Lágrima;
- Urina.
Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [7]

40. Curso Sensores e Transdutores – Parte I Introdução aos biossensores [7]

41. Revisão da Parte I
• Vimos uma breve historia da humanidade em relação às medidas;
• Definições, características e classificações de sensores e transdutores;
• Algumas aplicações e seus funcionamentos;
• Introdução aos biossensores e sua importância no estudo dos
biomarcadores;
• Objetivo final da construção de um sensor está sempre aliada às leis
naturais e organismos existentes, cabe ao ser humano escolher qual lei
utilizar a seu favor.
Curso Sensores e Transdutores – Transição Parte I  II Área bioENG IEEE UEM

42. Referências – Parte I Drive
[1] BALBINOT A.; BRUSAMARELLO V.J. Instrumentação e Fundamentos de
Medidas. 2ª Edição, Vol. 1. Rio de Janeiro, Brasil: LTC, 2006.
[2] FRADEN, J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Design and
Applications. Fifth Edition. San Diego, CA, USA: Springer, 2016.
[3] RUMACK C. M. et al. Tratado De Ultrassonografia Diagnóstica. 4ª
Edição. Rio de Janeiro, Brasil: Elsevier Editora Ltda., 2012.
[4] DUNN, W. Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process
Control. Norwood, MA, USA: Artech House, 2006.
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43. Referências – Parte I Drive
[5] SINCLAIR, I. Sensors and Transducers. Third Edition. Woburn, MA, USA:
Newnes, 2001.
[6] YOON J. Introduction to Biosensors: From Electric Circuits to Immunosensors.
Second Edition. Switzerland: Springer, 2016.
[7] HARVEY, C. J. et al. Formulation and stability of a novel artificial human sweat
under conditions of storage and use. Toxicology in Vitro 24 (2010), p. 1790-1796.
[8] CALIL S. S. Biossensores: estrutura, funcionamento e aplicabilidade. Pós
Graduação PUC – GO, IFAR – Instituto de Estudos Farmacêuticos, 2011.
[9] LEAL J. F. U. Desenvolvimento de um protótipo de monitoramento de pressão
arterial sistêmica baseado em Fotopletismografia. Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica UFES, Vitória, Brasil, 2019.
[10] VALLE S. Microfones. Brasil: Editora Música & Tecnologia, 2002.
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44. O que vem por aí na parte II?
• Aplicações na indústria alimentícia e medicina;
• Aplicação SARS-CoV-2;
• Construção e funcionamento de um biossensor eletroquímico
amperométrico;
• Filtros e Ferramentas.
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