Sendores Electroquímicos

Introducción

Desde hace varios años la tecnología de los sensores ha tomado gran importancia en la química analítica y en algunos otros campos de la investigación y desarrollo. Los sistemas sensores suelen clasificarse como físicos, biológicos y químicos, y entre estas categorías pueden estar los sensores electroquímicos.
Una definición clásica de sensor químico es la de “pequeño dispositivo que como resultado de una interacción química entre el analito gaseoso y el sensor transforma información química o bioquímica de tipo cuali o cuantitativo en una señal medible y útil analíticamente”. Cuando la determinación se hace a través de un electrolito líquido se denomina al dispositivo sensor electroquímico. Cuando se trata de la determinación de una propiedad física, y no de un analito, generalmente se le llama sensor físico.
Los sensores electroquímicos han sido clasificados como potenciométricos (monitoreo del voltaje), amperométricos (monitoreo de la corriente) y conductimétricos (monitoreo de la conductividad o resistencia). Los potenciométricos han demostrado su gran aplicabilidad desde los años 30, debido a su simplicidad y bajo costo. Un gran exponente de la sencillez y utilidad de este tipo de electrodos es el electrodo de pH. Una completa revisión de los tipos de sensores electroquímicos puede verse en la publicación de Stradiotto y colaboradores

Las ventajas del uso y desarrollo de este tipo de tecnología saltan a la vista, ya que en un futuro estos nuevos sensores electroquímicos responderán única y exclusivamente a la variable que se desee sensar. Al lograr su miniaturización y su empaquetamiento en un circuito integrado logramos que el dispositivo sea barato y a medida que se mejoren sus tecnologías de fabricación las perspectivas aumentan.

Principio de Funcionamiento de los sensores electroquímicos

El monitoreo clínico e industrial de fluidos o tejidos, se hace a partir de una muestra que es llevada a un laboratorio. Los resultados son producidos con un claro retardo en el tiempo. La instrumentación basada en sensores lleva los instrumentos a la muestra, permitiendo el monitoreo de variables químicas on-line, en tiempo real o casi real. La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ. Los instrumentos que usan sensores son más sensibles y más económicos que los procedimientos centralizados. La información es producida rápida y continuamente, debido a que el instrumento es colocado en o cerca de la muestra. Estas ventajas se incrementan usando sensores fabricados con técnicas y materiales microelectrónicos. Los sensores microelectrónicos son mas baratos, mas pequeños, robustos mecánicamente y fáciles de integrar con otros sistemas electrónicos. Por estas razones los sensores basados en semiconductores son objeto de un gran número de investigaciones y prometen ser extremadamente útiles para mediciones in vivo. Hay tres áreas principales de investigación en estos sistemas: Detección de concentraciones, discriminación química y mejoramiento del tiempo de respuesta. Muchos sensores químicos microelectrónicos son capaces de detectar concentraciones razonablemente bien cuando estas tienen un nivel mediano o alto. Dos de las tecnologías más comunes en la realización de sensores químicos son sensores en base a películas delgadas, y el CHEMFET. Generalmente las tecnologías de los sensores microelectrónicos están basadas simplemente en cambios en la conductividad en un material en respuesta a químicos en el entorno. El mas simple de estos sensores basados en conductividad es el sensor de película delgada, el cual es simplemente una película de un material sensitivo químicamente cuya conductividad cambia en respuesta al entorno químico. Los transistores de efecto de campo químicamente sensitivos, CHEMFET (Chemically Sensitive Field Effect Transistor) tienen sus antecedentes desde el año 1970 cuando Bergveld propuso el concepto de ISFET (Ion Sensitive Fiel Effect Transistor), los cuales son una subdivisión de los CHEMFET. Pese a contar con 30 años de historia las aplicaciones prácticas han surgido muy lentamente.

El principio de funcionamiento de los diferentes tipos de CHEMFET es básicamente el mismo; se tiene un nivel inicial de Fermi, el cual depende del material usado en su sensor y su dopamiento; una absorción de sustancias químicas, la cual provoca una transferencia parcial de cargas y esto a su vez provoca un cambio en el nivel de Fermi.

El ISFET es simplemente un MOSFET sin compuerta, la compuerta es reemplazada por una solución electrolítica la cual es contactada por un electrodo de referencia. En el ISFET la corriente fluye de la fuente al dreno por medio de un canal, tal como en el MOSFET la resistencia del canal depende del campo eléctrico perpendicular a la dirección de la corriente.

El ISFET puede ser modificado al añadirle una membrana de sensado y entonces se le conoce como MEMFET. Los iones penetran esta membrana y un potencial es generado, el cual es detectado por la estructura del FET.

El SURFET es un ISFET al que se le añade una capa bloqueadora de iones, la cual cubre las partes sensitivas al pH del aislante de la compuerta.

El ISFET no ha sido explotado de la forma que podría debido a la vulnerabilidad de la membrana protectora la contaminación ambiental; esta contaminación ambiental daña; el funcionamiento del transistor. Además esta membrana no provee de una protección contra la luz del entorno; es decir el ISFET puede ser sensible a "ruido óptico".

El CHEMFET usa una capa de oxido estándar como aislante y un metal químicamente sensitivo, como el paladio, como compuerta. Añadir esta compuerta minimiza la sensitividad a la luz. Además la capa de oxido es menos susceptible a sufrir cambios por interaccionar con el ambiente. Los CHEMFETs presentan varias ventajas como son baja impedancia de salida, rápida respuesta, accesibilidad a la producción en serie y la fácil integración en arreglos de sensores.

Existen sensores que han sido derivados del CHEMFET y el ISFET como el SAFET (Surface Accesible FET) o el SGFET (Suspended Gate FET), estos tienen mayor selectividad y sensitividad; sin embargo tienen un tiempo de vida muy corto, debido a que su capa de oxido esta total o parcialmente expuesta.

Ejemplos novedosos del uso de los sensores microelectrónicos son las aplicaciones in vivo de los ISFET para medir pH en el tejido muscular del corazón. Las variaciones del pH pueden representar muchos desordenes. Otro ión de gran importancia fisiológica y patológica es el potasio; alteraciones en las concentraciones de potasio pueden afectar el ritmo al corazón. La mayoría de los sensores son sensitivos a una gran variedad de químicos. Hacer una discriminación entre estos químicos es muy difícil si no es que imposible en un solo sensor. Esta es una de las causas que junto con la selectividad, confiabilidad y reproducibilidad han provocado que las investigaciones hechas en estas tecnologías estén todavía separadas de la producción.

La combinación de sensores en forma de arreglos tiene muchas ventajas sobre los sensores individuales. Un arreglo heterogéneo que contenga diferentes tipos de sensores mejora la selectividad, mientras que un arreglo homogéneo que contiene el mismo tipo de sensores operando en condiciones idénticas mejora la confiabilidad de los datos.

Los arreglos de sensores químicos junto con técnicas de procesamiento de señales apropiadas pueden resolver los problemas de discriminación. El procesamiento de señales puede ser basado en hardware o software. La llegada y propagación de las computadoras ha impulsado de manera sistemática la investigación y el desarrollo del campo de los sensores químicos, debido a la innovación que representa el seguimiento continuo mediante computadora de los parámetros químicos de un proceso complejo, lo cual abre la posibilidad de intervenir en el control del mismo. Las operaciones básicas de análisis con sensores requieren de: computadora, interfaz, y software especial. El sensor interactúa con la muestra y transforma selectivamente determinada información química, en una señal susceptible de ser medida. La interfaz es un dispositivo que se encarga de transformar la señal que codifica la información química procedente de la muestra, en una señal analítica útil. El software nos permite controlar la interfaz y visualizar los resultados de la medición en un gráfico o en una tabla de datos.

En los procesos de diseño actuales se busca tener modelos de los dispositivos, de tal manera que una simulación del sistema completo pueda ser hecha antes de implementar este. Muchos esfuerzos han sido dirigidos a modelar los sensores químicos basados en semiconductores. Estos modelados se han hecho en diversas herramientas CAD como MATLAB, PSPICE y OPTIMA.

Los sensores químicos son ideales para ser utilizados en mediciones directas, sin un tratamiento preliminar de la muestra. En los procesos industriales eliminan la necesidad de tomar muestras in situ o en organismo vivos. También son apropiados para mediciones en laboratorios móviles, ambulancias, visitas médicas, etc. A causa de su relativamente baja susceptibilidad a la degradación ambiental el CHEMFET parece ser el más promisorio de los sensores químicos basados en FET a pesar de tener menor selectividad en comparación con otros sensores de este tipo. El CHEMFET consiste en un MOSFET cuya compuerta ha sido sustituida por un metal químicamente sensitivo, el cual interactúa con los químicos del ambiente permitiendo así el sensado de dichos químicos.

Tipos de sensores electroquímicos

1.- Sensor electroquímico de compuestos fenólicos
La determinación química de compuestos fenólicos se realiza normalmente por métodos cromatográficos los cuales son costosos y altamente especializados. Por estas y otras razones siempre ha sido de gran interés el desarrollo de un método electroquímico que permita el análisis de fenoles. El principal inconveniente para implementar este método es la formación de una película altamente pasivante, desafortunadamente muy porosa, sobre el electrodo de trabajo que bloquea la determinación del compuesto. De acuerdo con estas condiciones se ha planteado una alternativa que evite la oxidación del compuesto fenólico y mida cualquier cambio en la celda electroquímica. La técnica que permite este camino es la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). La tabla 1 muestra los valores de resistencia eléctrica calculados a partir del circuito establecido para la determinación de un compuesto fenólico, Bisfenol A (BPA), por EIS. Estos valores fueron obtenidos para diferentes concentraciones de BPA en solución de acetonitrilo usando como electrodo de trabajo un electrodo de platino. Estos datos se ajustan a una recta con un R=0.991.

Aunque esta proporcionalidad entre la resistencia eléctrica y la concentración del BPA no implica una selectividad a dicha molécula, estos primeros resultados son bastante interesantes al mostrar un límite inferior de sensibilidad bastante bueno y que se ajusta a las concentraciones normalmente investigadas en este analito. Además, se demuestra que teniendo en cuenta el problema de pasivación con los fenoles, determinaciones en las que no ocurren procesos redox pueden ser una buena alternativa analítica. Actualmente nos encontramos optimizando la selectividad de este sensor al BPA.

2.- Sensores físicos basados en polímero conductor
Cuando se habla de polímeros conductores, generalmente se hace referencia a polímeros conductores conjugados. Estos materiales fueron descubiertos relativamente hace poco tiempo (1977), lo cual representó el premio nobel de química a Shirakawa, MacDiarmid y Heeger en el 2000. Además de la conductividad eléctrica modulada, estos polímeros presentan una gran variedad de propiedades que los hacen muy interesantes en múltiples aplicaciones tecnológicas. Entre estas aplicaciones está el desarrollo de sensores electroquímicos basados en polímero conductor. En este caso, la señal eléctrica medida suele ser un flujo de corriente, un cambio en la capacitancia o en la resistencia del material.

La versatilidad de estos materiales está basada en la influencia de las variables de síntesis y en la capacidad de controlar dichas influencias al detalle. Los polímeros conductores resultan de la oxidación del monómero o monómero sustituido. Esta oxidación se lleva a cabo por electropolimerización sobre un sustrato conductor (electrodo de trabajo) al aplicar un potencial externo: síntesis electroquímica; o por polimerización química en solución por medio de un oxidante químico. La síntesis electroquímica es la más utilizada en el desarrollo de sensores ya que ésta permite un mayor control de las variables y la obtención del polímero en forma de película sobre el electrodo de trabajo.

La síntesis de polímeros conductores se realiza en presencia de un contraión que permite balancear las cargas del polímero durante la oxidación de la cadena, este contraión se conoce comúnmente como dopante. La naturaleza y la concentración del dopante son de una de las variables más influyentes en las características finales del polímero conductor, especialmente en el desarrollo de sensores. La Figura 3 muestra la velocidad de movimiento durante un recorrido de 90 grados de una bicapa: polipirrol dopado con iones ClO4- / cinta adhesiva, en solución acuosa de diferentes concentraciones de LiClO4. El movimiento que presenta esta bicapa está directamente relacionado con otra de las propiedades que presentan estos polímeros: el cambio de volumen de las cadenas poliméricas controlado eléctricamente. En este caso es de interés resaltar la relación directa entre la velocidad de movimiento y la concentración del dopante. Esta relación nos permite afirmar que este dispositivo bicapa, basado en un polímero conductor, es además de un actuador (cambio de volumen) un sensor de la concentración de electrolito.

Este dispositivo bicapa basado en polipirrol ha demostrado capacidad de monitorear otras variables como la temperatura y la presencia de un obstáculo a su recorrido. En el primer caso se presenta una variación en la energía eléctrica consumida proporcional a la temperatura del medio, y en el segundo caso una variación en el potencial eléctrico proporcional a la magnitud del obstáculo encontrado (sensibilidad táctil). La Figura 4 muestra la variación del potencial eléctrico de una bicapa cuando se encuentra con un obstáculo en su recorrido, la variación se presenta respecto a la masa del obstáculo. Este movimiento es en solución acuosa de LiClO4.


Construcción de los sensores electroquímicos

No todos los sensores electroquímicos tienen las mismas características de comportamiento y fiabilidad. Hay muchas formas de construir sensores electroquímicos y hay muchos fabricantes a su vez.

Se disponen de dos electrodos, tal como lo indica la Figura 5. Uno de los dos electrodos incorpora la membrana que es, al menos en principio, selectiva sólo para el ión de interés y tiene en su interior una disolución con una concentración conocida de la especie iónica “y”. El otro electrodo es de referencia y a través de su membrana pueden difundir libremente todas las especies presentes en la muestra donde se va a medir. Obviamente hay varias interfaces, pero con la disposición descrita sólo una de ellas generará un potencial variable: la membrana de ión selectivo.

Sensores con mecanismo redox para detección de gas.

La construcción de un simple sensor electroquímico consiste en un electrodo sensor (cátodo) y un electrodo contador (ánodo) separados por una delgada capa de electrolito. El gas que se pone en contacto con el sensor reacciona en la superficie del electrodo sensor y provoca un mecanismo de oxidación o reducción. Los materiales del electrodo específicamente diseñados para el gas de inertes catalizan esa reacción. Generan una corriente eléctrica proporcional a la concentración del gas.

Sistema de Acondicionamiento

El acondicionamiento de los sensores generadores es necesario principalmente debido a que:
- Las señales son muy débiles: Ello precisa amplificadores de alta ganancia y el análisis de la tensión de desequilibrio (offset), corrientes de polarización y de desequilibrio, las derivas y ruido.
- Las frecuencias son muy bajas, esto limita la utilización de amplificadores en alterna porque los condensadores requeridos son muy grandes.
- La señal procede de una fuente de alta impedancia: Las impedancias parásitas son relativamente significativas y llevan a utilizar amplificadores con características o configuraciones especiales.

Amplificadores con bajas derivas
Desequilibrios en un AO

a) Tensión de desequilibrio y corrientes de polarización en un AO.
b) Corrientes de entrada en un AO con compensación de las corrientes de polarización.

- En un AO ideal la tensión de salida es nula cuando lo son ambas tensiones de entrada y las corrientes de entrada son también nulas. Esto no se cumple en un AO real debido al desapareamiento de los transistores de entrada
- La corriente de desequilibrio (offset) en un AO es la diferencia de corrientes en la entrada necesarias para tener una tensión nula a la salida
- La tensión de desequilibrio en un AO es la necesaria aplicar a la entrada para tener una tensión de salida nula
- En un AO inversor como en la figura a, la tensión de salida es:En este caso, R3 disminuye el error debido a la corriente de desequilibrio (compensación de offset). No se aplica a AO con compensación interna de la polarización, figura b, porque el desequilibrio de corrientes es muy alto y R3 añadiría ruido térmico.

- Además,

El error será grande si se desea alta impedancia de entrada y alta ganancia (R1 y R2/R1 grandes) y al reducir todas las resistencias en un mismo factor, el error debido a Vos no cambia, pero el Ios si. Interesa utilizar resistencias de bajo valor de ser posible

Desequilibrios y derivas

Las derivas térmicas de los AO no son constantes con la temperatura y se especifican por:
a) Según Valores Extremos:

b) Método de la Mariposa:

c) Valor Promedio:

Donde TM= 25ºC (temperatura ambiente). La tensión de desequilibrio y las corrientes de polarización y de desequilibrio cambian con el tiempo.

Anulación y compensación

Algunos AO tienen un terminal interno de ajuste a la tensión inicial de desequilibrio pero esto afecta las corrientes de polarización y su desequilibrio, y la deriva térmica de la tensión de desequilibrio. Una opción es el ajuste externo para lograr la anulación de la tensión de desequilibrio y compensación de polarización:

a) Amplificador Inversor: Hay que elegir

b) Amplificador No Inversor: Se supone R3 no ajustable y

c) Amplificador Seguidor (Buffer): Se utiliza una potenciómetro con alimentación simétrica y toma central puesta a masa para reducir la sensibilidad a los cambios de temperatura y a la tensión de alimentación.



AO con auto corrección de la deriva

- Método empleado en los AO para obtener un deriva muy baja, alto PSRR y CMRR en lazo abierto y que son conocidos como amplificadores chopper o troceadotes.
- Consiste en medir periódicamente la tensión de desequilibrio en una fase de autocero (a) para descontarla a la tensión de interés en la fase de muestreo (b) mediante uso apropiado de conmutadores S1 y S2.
- La frecuencia de muestreo debe ser mayor al doble de la frecuencia máxima de la señal de entrada.
- Hay que tener precaución para reducir otros efectos: Termoeléctricos, Potencia y Gradientes de temperatura.

AO con auto corrección de la deriva usando componentes discretos - Compensación ftem

Ejemplo de circuito para corrección automática de la deriva de un amplificador basado en componentes discretos


Ejemplo de compensación de fuerzas termoelectromotrices en circuitos de bajas derivas mediante elementos redundante (en este caso la resistencia R)

1= Unión: Terminal de Resistencia – Soldadura – Pista de Cobre.
2= Unión: terminal del CI – Soldadura – Pista de Cobre.

Compuestos

- El diseño de amplificadores compuestos es una opción económica que permite combinar características complementarias de AO para obtener un amplificador de excelentes prestaciones.
- En el circuito mostrado, AO1 tiene alta velocidad de salida con alta deriva y AO2, bajas derivas con ancho de banda pequeño, tenemos:

Donde A1 y A2 son las ganancias de lazo abierto y Vos1 y Vos2 las tensiones de desequilibrio de cada AO. Dado que A1 y A2 son muy grandes a baja frecuencia, obtenemos finalmente:

La tensión equivalente de desequilibrio es la de AO2, que es muy baja. También ocurre lo mismo con las derivas.

Amplificador compuesto de alta velocidad (gracias a AO1) y bajas derivas (gracias a AO2)

Amplificadores de instrumentación

- La tensión de desequilibrio a la salida de un AI de tres AO es:

Donde Voi son las tensiones de desequilibrio respectivas de cada AO. La tensión de desequilibrio refererida a la entrada es prácticamente independiente de la ganancia. Sin embargo, hay que analizar las derivas particularmente.


- Ajuste del nivel de cero de la etapa de salida de un AI sin afectar su CMRR. Las tensiones de ± 15 V a partir de las que se derivan la de corrección deben ser muy estables.
Amplificadores Electrométricos

Se denomina amplificador electrométrico o electrómetro, a todo sistema de medida que posea una resistencia de entrada elevada, superior a 1 TΩ y una corriente de entrada baja, inferior a 1 pA, aproximadamente. Son utilizados para acondicionar señales de sensores con impedancia de salida elevada que requieran un sistema de medida con baja corriente de entrada, por ejemplo, sensores piezoeléctricos.

Los métodos para medir corrientes débiles empleando un amplificador electrométrico son:
a) Midiendo directamente la caída de tensión en una resistencia. Si R es elevada, el tiempo de respuesta es lento y no sirve para sistemas dinámicos.
b) Realizando una conversión corriente-tensión (Amplificador de Transimpedancia). El tiempo de respuesta queda reducido significativamente. Pero si R es mayor a la del sensor, aumenta el ruido. Si A>>1, De Transimpedancia

- Convertidor Corriente – Tensión en banda ancha

Desventaja: Puede hacerse inestable, mayor ruido que el anterior.


Mediante una red T se obvia utilizar resistencias de valor muy elevado, del orden de Tera Ohmios.
Desventaja: Incrementa el ruido y la tensión de desequilibrio en el mismo factor de R.

- Si la fuente de corriente es flotante, se puede utilizar amplificadores de transimpedancia con entrada diferencial
a) Circuito Básico: Si Rb/Ra=k, y los AO son iguales:
b) Utilizando red T se evita R elevados y:
c) Red T mas AO como segunda etapa de a):
Logarítmicos

Circuito de un electrómetro logarítmico. Ce incluye la capacidad del cable de conexión. El amplificador de ganancia 1 puede ser otro AO.
- Son utilizados cuando el sensor genera una corriente con un gran margen dinámico.
- La característica logarítmica viene dada por un diodo o un transistor bipolar conectado como diodo a baja señal con corriente mucho mayor a la de saturación:

Medida de corrientes débiles mediante integración

a) Estructura.
b) Evolución de la tensión de salida. El interruptor se abre en t=0 y se cierra en t=t1.
- Es una alternativa económica a los convertidores corriente-tensión para la medida de corrientes que necesitan resistores de valor elevado y alta precisión.
- La tensión obtenida al integrar i durante el intervalo [0, t1] será
Donde Vos es la tensión de desequilibrio e I1, la corriente de entrada I1 del Ao.
- Vos se puede hacer despreciable al integrar durante un intervalo de tiempo suficientemente largo o se puede estimar midiendo la tensión de salida cuando el interruptor se mantiene cerrado.
- Si I1 es mucho menor que i, se puede despreciar. Si no, se calcula haciendo i=0 durante otra integración t1.
- Aunque la respuesta es lenta, la integración permite reducir toda corriente de interferencia que tenga un período t1 entre n.

Amplificador de carga

Un amplificador de carga es un circuito cuya impedancia de entrada es un condensador, ofreciendo así un valor alto a baja frecuencia. Es un convertidor carga – tensión. (Amplificador de carga ideal)

Aplicación Industrial de los sensores electroquímicos

En la actualidad los sensores electroquimicos son utilizados para la detección y monitorización de ciertos gases tóxicos en ppm, entre los cuales se destacan NH3, CO, CL2, H2, HCL, HCN, H2S, NO, NO2, O2, O3 y SO2. Para algunos de estos gases ofrecen alto grado de selectividad. Las características mas importantes de un sensor electroquímico que se consideran al momento del uso en la industria son:
- Consume poca potencia por lo que es apropiado para unidades portátiles que se alimentan a baterías.
- Válido para aplicaciones PEL. No válido para aplicaciones en gases combustibles.
- Comparado con otros muchos sensores es selectivo para un gas determinado. Sin embargo algunos sensores tienen poca selectividad, dependiendo de que gas detecten.
- Su vida es normalmente de uno a tres años, aunque algunos tienen una especificación de dosis de exposición al gas, como el sensor de ammonia de 5.000 ppm/hora. Si el sensor está expuesto constantemente a 50 ppm, tendrá una vida de 100 horas.

Los sensores electroquímicos son válidos para medir unos 20 gases en los rangos de pocas ppm. Estos incluyen CO, dióxido de nitrógeno, cloruro, sulfito de hidrógeno, dióxido de sulfuro. Su utilización está limitada para aplicaciones continuas y fijas y para control de procesos.

Por ejemplo se puede decir, que el modelo de la serie DM-400IS Detcon, sensores electroquímicos son objeto de interferencia con otros gases. Ésta relación es mostrada en la sección 3.4 como la relación entre la cantidad de gases de interferencia aplicables al sensor, y correspondientes a las lecturas que ocurrirán. Todas las mediciones son en PPM a menos que se
indicare en forma diferente.

También existen los monitores químicos que además de la indicación continua y monitoreo personal, este tipo de instrumentos fue creado para el control e higiene del trabajo, así como durante accidentes que implican la liberación de gases y vapores tóxicos.Algunos modelos poseen una interface y un software apropiado que facilitan el almacenamiento de datos de largos periodos y la representación gráfica de los resultados en la computadora.Los monitores más comunes se usan para detectar el monóxido de carbono y gas sulfhídrico, pero también se dispone de monitores para el cianuro de hidrógeno, amoníaco y cloro.Estos equipos son de alta precisión durante el monitoreo, gracias a compensaciones controladas por un microprocesador interno. También disponen de una alarma sonora y visual que funciona con baterías. Las alarmas se activan cuando la concentración del gas monitoreado en la atmósfera excede el nivel preestablecido.

Problema práctico Industrial


La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ. Los instrumentos que usan sensores son más sensibles y más económicos que los procedimientos centralizados. La información es producida rápida y continuamente, debido a que el instrumento es colocado en o cerca de la muestra. Estas ventajas se incrementan usando sensores fabricados con técnicas y materiales microelectrónicos. Los sensores microelectrónicos son mas baratos, mas pequeños, robustos mecánicamente y fáciles de integrar con otros sistemas electrónicos. Por estas razones los sensores basados en semiconductores son objeto de un gran número de investigaciones y prometen ser extremadamente útiles para mediciones in vivo. La principal ventaja de los instrumentos basados en sensores es que pueden ser aplicados a mediciones in situ.

En la Industria surgen ciertas problemáticas al emplearse los sensores electroquímicos, son generalmente utilizados para monitorizar los gases peligrosos para la calidad del aire, seguridad o control de procesos es una tarea compleja. Al contrario que con otros parámetros, en los que las medidas son directas como voltaje, temperatura, humedad, etc., la medida de gases es mas complicada. Existen cientos de gases diferentes y se encuentran en diferentes proporciones. Cada aplicación tiene unos requerimientos únicos. Los sensores electroquímicos se emplean tambien para el análisis de concentraciones de sustancias en una gran variedad de aplicacione, donde muchas veces han sustituido a los fotómetros de llama; en agricultura se utilizan para el análisis de suelos y fertilizantes, en ciencias biomédicas y laboratorios clínicos para el análisis de sangre y orina, en la industria química y alimentaria y en la medida de contaminación ambiental.

Por ejemplo, unas aplicaciones requieren la detección de un gas específico sin tener en cuenta las lecturas de otros gases de fondo. Otras situaciones pueden requerir las concentraciones de cada gas en una determinada área. La mayor parte de los sensores no son específicos para un determinado gas sino que son sensitivos a un grupo o familia de gases.

Otro ejemplo que se puede citar es el siguiente, para la organización americana Occupational Safety and Helad Administration, el límite de exposición permisible (PEL) para la jornada de trabajo de 8 horas es 50 partes por millón (ppm) para el monóxido de carbono (CO). Sin embargo, el límite bajo de explosión para el CO es de 12,5% en volumen de concentración. Aunque el gas es el mismo, se necesitan sensores diferentes para monitorizar la concentración ya que sus niveles son muy diferentes.