تبليغاتX
سنسورهای الکترونیکی

بــــــنام خدا

از من خواسته شد تا تعدادی سوال بهمراه پاسخهایی کوتاه در زمینه تکنولوژی فیلم ضخیم و سنسورهای گاز برای یک Workshop آماده کنم. فکر کردم شاید این سوال و جوابها برای خوانندگان محترم وبلاگ نیز مفید باشد. اگر سوالی هم در این زمینه به ذهن شما میرسد آنرا به آدرس پست الکترونیکی وبلاگ ارسال کنید.

1. What are the major parts of thick film printing technology?

 1. Printing, 2. Drying, and 3. Firing

2. What are two important characteristics of thick film pastes?

They are: a) Viscous fluids with a suitable rheology and b) Composed of two different multi-component phases.

3. Name two multi-component phases needed in fabrication of thick film pastes.

a) A functional phase to impart the electrical and mechanical properties and b) A vehicle phase to impart the proper rheology.

4. What are three basic categories of thick film pastes classified based-on thermal curing?

1. Polymer thick film (< 300°C) 2. Refractory thick film (>1300°C) 3. Cermet (Ceramic Metal Element) thick film (800 °C to 1000 °C)

5. What are the main components of ceramic metal paste?

1. Active element, 2. Adhesion element, 3. Organic binder, and 4. Solvent element

6. What are differences between “fritted” and “fritless” adhesion elements?

1. Thermal curing for fritted adhesion elements which contain glass elements is done at lower temperature (500 °C to 600 °C) but fritless composition is fired at 950 °C to 1100 °C. 2. Fritted adhesion is bound to the substrate based-on melting components. The fritless adhesions react with broken oxygen of the substrate to form a spinel structure (an AB2O4 oxide).

7. Name three major thermal treatments of powder preparation for thick film paste.

1. Drying after milling at about 100 °C. 2. Calcination at about 500 to 600 °C. 3. Sintering at above 800 °C.

8. What are the processes of thermal curing for printed thick film layer?

1. Leveling time at room temperature 2. Drying at 125 to 150°C 3. Firing at above 850 °C.

9. What are the three important parameters for characterization of thick film paste?

1. Fineness of grind, 2. Percent solids, 3. Viscosity.

10. What are the criteria of the conductive thick film pastes?

1. High purity of the fired layer

2. Have a porous structure (for gas and humidity sensors)

3. Have low resistance

4. High resolution

5. Good adhesion to the substrate

6. Be chemical stable

7. Be heat stable

8. Solderability

11. Name three material that are satisfied the requirements for conductive pastes?

Noble metals such as gold, platinum, palladium, copper, and silver. Then the paste can be formed in single-component (on the basis of silver or gold), or double component such as Ag-Pd, Au-Pt, Au-Pd, etc.

12. Why thick film components are called “Ceramic Films”?

Polycrystal films with thickness 10-100 µm are used for producing thick film components, because their structure is similar to the structure of the ceramics they are regarded as ceramic films.

13. Compare the earliest and the modern thick film resistors?

The earliest thick film resistors were made from material such as carbon, silver, and iron oxide. They were found to suffer from poor long-term stability, unpredictability of fired resistivity, and unacceptably high temperature coefficients. Modern thick film resistors are mainly based-on ruthenium dioxide (RuO2). This material has a high conductivity and is extremely stable at high temperatures.

14. Why we need gas sensors?

We need gas sensors to improve the environmental and safety control of toxic gases. There is also a great need for these kinds of sensors for optimizing combustion reactions in the emerging transport industry, and domestic and industrial applications.

15. What is the basic consideration to detect the gas by a planar gas sensor?

Atoms and molecules interact with semiconductor surfaces, and influence such surface properties as conductivity and surface potential.

16. What are the best materials for detection of gas by gas sensors?

The most suitable semiconductor materials for this type of sensor are metal oxides. Unlike other semiconductors which, under long-term or cycled heating in air, undergo irreversible chemical transformations by forming stable oxide layers, metal oxides bind oxygen on their surface in a reversible way. These materials can be classified as n-type or p-type according to whether their resistance increases or decreases when they are exposed to a reducing gas in an atmosphere of fixed oxygen partial pressure (air).

17. Name three materials that can be used as an active layer in a planar gas sensor.

Zinc Oxide (ZnO), Tin Oxide (SnO2), and Tungsten Oxide (WO3)

18. Beside the type of material used as active layer, what are the other parameters for a planar gas sensor to detect a target gas?

1. Particle size of active layer 2. Environment relative humidity 3. Reaction temperature provided by heater 4. Flow rate of the applied gas 5. Type of catalyst and filter above the active layer

 19. Explain how the particle size of powder in active layer can affect the sensitivity of a planar gas sensor?

Planar gas sensors are worked based-on adsorption by trapping the oxygen molecule between the grain boundaries of active layer. Smaller grain size leads to more available surface of grain boundaries causes more sensitivity.

20. Briefly explain the terms of additive, doping, and catalyst in a planar gas sensor.

Additive: such as glass frit powders, are used to ensure good adhesion of film to the substrate. These materials usually increase the resistance of the film, because they fit active grains together to form a compact adhesive film on the substrate, but they have no catalytic properties.

Doping: Commercially available sensors normally contain a small quantity of noble metals such as Ag, Ti, Pd and Pt, which are dispersed on the oxide as activators or sensitizers to improve the gas selectivity and lower the operating temperature. They enhance the selectivity to some gases of active layer activity. They also make the basic material active for particular reactions, thus making the layer more sensitive.

Catalyst: The metal oxide-based sensors react to a wide range of gases with similar chemical properties. Catalytic filters can be applied to some of them so that selectivity is high. Recently some catalytic filters have been used in the construction of gas sensors. They prevent any reactions with some gases by removing these gases by combustion or some other reaction before they reach the active layer.

 هر گونه نقل قول یا اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز میباشد.

+ نویسنده :سنسور ,Fri 12 Jun 2009 , 7:38 PM |

بنــــــــــام خــــدا

بخش اول بررسی این دسته سنسورها را میتوانید از اینجا بخوانید.

سنسور اثر هال، مبدلی است که ولتاژ خروجیش نسبت به تغییرات میدان مغناطیسی اطرافش تغییر میکند. بیشترین کاربرد این سنسورها در سوئیچهای مجاورتی Proximity Switch ، سرعت سنج، و کاربردهایی نظیر سنسورهای جریان الکتریکی است. در ساده ترین شکل، این نوع سنسورها بعنوان مبدل آنالوگ عمل میکنند و مستقیماً ولتاژ متناظر با میدان اعمال شده را بوجود میآورند. با مشخص بودن میدان مغناطیسی اعمال شده، فاصله صفحه اثر هال تا میدان اعمالی را میتوان تعیین کرد. به کمک گروهی از سنسورهای اثر هال، موقعیت نسبی میدان را میتوان بدست آورد.

سنسورهای اثر هال را میتوان علاوه بر کاربردهای فوق در وسایل اندازه گیری و حسگرهای دیگری نیز یافت. بطورکلی هر جاییکه کمیت مورد اندازه گیری یا قابل حس شدن به نوعی با میدان مغتاطیسی مرتبط باشد ، از سنسور هال میتوان استفاده نمود. ولتاژ هال متناسب با حاصلضرب بردارهای متقاطع جریان (I) و میدان مغناطیسی (B) است.

کاربردی از سنسور اثرهال: سیلیکون بعنوان یک ماده پیزوالکتریکی این قابلیت را دارد که مقاومت الکتریکی آن با فشار وارده به آن تغییر کند. با کمک سنسور هال میتوان این اثر را به حداقل رساند. اینکار را میتوان با اضافه نمودن چند سنسور هال به یا کنار چیپ سیلیکونی انجام داد. در شکل 3 تعدادی سنسورهال در مجاورت یک آی سی قرار داده شده اند. به این سنسورها نیز همان فشاری وارد میشود که به بسته بندی(Package) چیپ سلیکونی اعمال میگردد. این فشار با ∆R در شکل مشخص شده است. اولین سنسور هال توسط فشار ناشی از محور عمودی و دومی بوسیله فشار محوری افقی تحریک می شوند. برآیند ایندو نیرو بصورت سیگنال خروجی متناسب با فشار اعمال شده قابل اندازه گیری است.

 

شکل سه – المان هال برای حذف یا به حداقل رساندن اثر فشار به بدنه  آی سی

 

اساس کار سنسورهای هال

 سنسورهای هال به نوعی همان سنسورهای میدان مغناطیسی هستند. این سنسورها به Signal Conditioning نیاز دارند تا خروجی قابل استفاده برای بیشتر کاربردها را ایجاد کنند. Signal Conditioning ها طبقه های تقویت کننده ای شامل جبران ساز حرارتی هستند. همچنین هنگامی که تغییرات ولتاژ زیاد باشد به تنظیم کننده ولتاژ نیاز دارند. شکل چهار یک سنسور اثر هال بهمراه سیگنال کاندیشنینگ و تنظیم کننده ولتاژ را نشان میدهد.

شکل چهار – سنسور اثر هال

هنگامیکه میدان مغناطیسی وجود ندارد ولتاژ هال اندازه گیری شده صفر خواهد بود (به شکل یک در اینجا مراجعه کنید) درحالیکه ولتاژ تک تک ترمینالها نسبت به زمین صفر نخواهد بود. تقویت کننده نشان داده شده در شکل 4 یک تقویت کننده تفاضلی است و تنها اختلاف پتانسیل دو سر المان هال (ولتاژ هال) را تقویت میکند.

ولتاژ هال یک سیگنال بسیار ضعیف است ( در حدود 30 میکروولت برای یک گاوس میدان مغناطیسی). در نتیجه به تقویت کننده نویز پایین، با امپدانس ورودی بالا و گین متوسط نیاز است. همانطوریکه از رابطه ولتاژ هال (حاصلضرب بین جریان و میدان مغناطیسی) پیداست، المان هال نیاز به جریان ثابت دارد تا تغییرات ولتاژ هال دقیقاً متناظر با شدت میدان مغناطیسی باشد. دلیل بکار گیری رگولاتور در شکل 4 نیز همین است. 

در قسمت بعدی به بحث پیرامون مشخصات سنسورهای اثر هال خواهیم پرداخت.

برای نوشتن بخشی از مطالب سنسورهای اثر هال از جزوه های آموزشی شرکت Honeywell استفاده شده است.

هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز است.

+ نویسنده :سنسور ,Fri 12 Jun 2009 , 6:33 PM |

بنـــــــام خـــــــــدا

حساسیت متقابل یا Cross Sensitivity اصطلاحی است که در سنسورهای گاز مورد استفاده قرار میگیرد و عبارتست از نمایاندن اثر یک گاز وقتی که ما نمی خواهیم آن گاز آشکار شود. حساسیت متقابل باعث انحراف از نتایج سنسور و گمراه ساختن کاربر میشود، چرا که سنسور پاسخی را نشان میدهد که مربوط به اثر گازی که در پی آن بوده ایم نیست. مثلاً سنسور گاز CO ممکن است بطرز قابل ملاحظه ای به هیدروژن، اتیلن، و ایزوبوتیلن واکنش نشان دهد. در نتیجه در حضور این گازها، سنسور به ما میگوید که گاز CO در محیط وجود دارد در حالیکه اینطور نیست. برای جلوگیری از Cross Sensitivity بهترین گزینه استفاده از فیلتر است (ترکیباتی مانند ذغال چوب). در بعضی موارد با تغییراتی در سیستم پردازش اطلاعات سنسور میتوان تنها اطلاعات صحیح را بدست آورد.

اضافه کردن لایه ای بر روی لایه حساس به گاز – لایه اکتیو – بکمک فیلترهایی نظیر Nb2O5 – پنتاکسید نئوبیوم – میتواند باعث حذف اثر حساسیت متقابل شود. این فیلتر در سنسورهای گروه هیدروکربن و الکل بسیار خوب جواب داده است. در اینصورت ترکیب گازهای موجود در محیط  قبل از رسیدن به لایه اکتیو باید از فیلتر گذر کنند و فیلتر نیز با توجه به نوع آن تنها به گازهایی مشخص اجازه عبور خواهد داد.

استفاده از فیلترهای پلاتینی و پالادیومی نیز انتخاب دیگری برای شناسایی ترکیبات هیدروکربنی است. البته باید در نظر داشت که بدلیل خواص رسانایی، این فلزات را بروی لایه عایقی معمولاً از جنس اکسید آلومینیوم – Al2O3 – رسوب می دهند. اکسید مس – CuO – نیز انتخاب دیگری برای کمتر کردن حساسیت سنسور CO به اتانول است. برای اینکار میتوان ابتدا روی لایه اکتیو را با Al2O3 پوشاند (مثلاً با Sputtering) و سپس CuO را روی این لایه Sputter کرد.

ترکیب هموژن پلاتین که از چسب پلاتین (چسبی که من استفاده کرده ام از کمپانی ESL خریداری شده و به نام ESL-5542 شناخته میشود) بسادگی قابل دسترسی است بر روی لایۀ Al2O3 به ترکیبات بنزن حساسیتی متفاوت نسبت به لایه پلاتین جامدی دارد که روی اکسید آلومینیوم Sputter شده است. بعلاوه این استراکچر باعث پایان آمدن دمای واکنش شده و علاوه بر طولانی تر شدن عمر سنسور باعث کاهش تلفات توان در هیتر آن میشود. ترکیب هموژن پلاتین را میتوانید با رقیق کردن چسب آن (85%) توسط ترکیب آلفاتریپینوئل – اتیل سلولز – متانول (بترتیب به میزان 10-5-85 درصد) بسازید و سپس با تکنیک پرینت اسکرین (در ایران بنام چاپ سیلک معروف است) روی لایه آلومینا بنشانید (ضخامت 5 میکرون یا کمتر).

هر گونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر مرجع مجاز میباشد.

+ نویسنده :سنسور ,Tue 28 Apr 2009 , 9:40 PM |

بنام خدا 

اساس کار سنسورهای فشار - قسمت اول (فشار استاتیکی)

برای تشریح عملکرد این دسته از سنسورها ابتدا نگاهی به روابط فیزیکی فشار می اندازیم:

فشار استاتیکی یا ایستایی که در آن فشار وارده بر جسم از طرف خود جسم بوده و تغییر نمی کند عبارتست از:

P=F/A                              (1)

که در آن P فشار در نتیجه نیروی F وارد بر سطح A است. لفظ اندازه گیری فشار عموماً در کنار سیالات  خواه مایعات یا گازها بکار میرود. ظرف شکل یک را با مایعی موجود در آن در نظر بگیرید. این ظرف حاوی فشار P در نقطه ای با فاصله h از سطح مایع مطابق با وزن w اعمال شده از طرف مایع در آن سطح است. در این حالت خواهیم داشت:  

P=∆F/∆A=h.w                         (2)

شکل یک: فشار در هر نقطه ای از سطح مایع محدودشده بکمک حاصلضرب وزن مایع در فاصله آن نقطه از سطح مایع بدست میآید.

از طرفی وزن یک سیّال در واحد حجم با کمک رابطه زیر قابل محاسبه است، که در آن V حجم، m جرم، و g شتاب جاذبه است:

w=m.g/V                 (3)

لازم بذکر است که بکمک همین رابطه میتوان ارتفاع ستون مایع در یک تانک را با اندازه گیری فشار آن سنجید.

از طرفی چگالی یک سیال ρ عبارتست از :

ρ = mV     (4)    

بنابراین از روی چگالی یک مایع در ارتفاعی مشخص میتوان فشار مایع را پیدا کرد (با فرض شتاب جاذبه معادل 9.8 با دانستن چگالی از رابطه 4، مقدار وزن سیّال در رابطه 3 مشخص میشود. در نتیجه فشار مایه در ارتفاع h بکمک رابطه 2 با توجه به معلوم بودن وزن سیّال قابل محاسبه است).

باید توجه داشت که کلاً فشار ناشی از ارتفاع یک ستون مایع به عملکرد فشار اتمسفر وارد شده بر سطح مایع بستگی دارد. از ترکیب روابط 2 تا 4 خواهیم داشت:

h=P/ρ.g       (5)

و یا:

P=h.ρ.g             (6)

در نتیجه فشار وارده بر سطح بالایی یک بلوک مکعبی مستطیل با سطح مقطع A شناور در آب که در ارتفاع h از سطح آب قرار دارد و دارای ضخامتی معادل L است، عبارتست از:

PD=h.ρ.g               (7)

و فشار وارده بر سطح پایینی همین بلوک عبارتست از:

PU=(h+L).ρ.g                  (8)

در نتیجه برآیند فشار وارده بر جسم شناور عبارتست از:

                                                     PU – PD =L.ρ.g         (9)

شکل دو - مکعب شناور در مایع

اکنون نگاهی به اصل ارشمیدس می اندازیم. این اصل میگوید: نیروی وارد بر یک جسم شناور در آب معادل با وزن مایع جابجا شده توسط آن جسم است. در اینجا نیروی وارد بر بلوک عبارتست از: حجم بلوک (V = A.L) ضربدر وزن مایع جابجا شده و یا:

F = A.L.w      (10)

که در نتیجه با کمک رابطه 1 خواهیم داشت:

P = L.w           (11)

و با در نظر گرفتن رابطه وزن سیال جابجا شده با چگالی و شتاب جاذبه (w = ρ.g)، فشار وارده بر بلوک فرضی در رابطه  9 مطابق بر قانون ارشمیدس اثبات میشود.

در قسمت بعدی به بحث پیرامون اندازه گیری فشار در سیّال جاری (غیر ساکن) خواهیم پرداخت.


برای نوشتن این مطالب از هندبوک جامع سنسورها، انتشارات مک گراو هیل، فصل 6 (سنسورهای فشار ) چاپ 2007 استفاده شده است.

هر گونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر مرجع مجاز میباشد.

+ نویسنده :سنسور ,Fri 24 Apr 2009 , 5:26 AM |

بنــــــــام خـــدا 

انتخاب سنسور شتاب سنج (قسمت اول)

 

آیا قصد خرید یک سنسور شتاب سنج دارید؟ اغلب مشتریان وقتی با تکنولوژی ها و  اشکال گوناگون، اندازه و گستره حساسیت شتاب سنج ها در کاتالوگ شرکت سازنده یا وب سایت آن مواجه میشوند دچار تشویش و نگرانی در نوع انتخاب میشوند. در این مطلب قصد  آن داریم تا بشما کمک کنیم تا شتاب سنج بهینه مرتبط با کاربرد مورد نیازتان را انتخاب کنید.

 

انتخاب تکنولوژی

 

اولین قدم در پروسه انتخاب یک سنسور تعیین نوع اندازه گیری است که باید توسط  سنسور صورت پذیرد. سه نوع تکنولوژی محبوب برای سنسورهای شتاب سنج موجودند:

 

شتابسنج های پیزوالکتریکی PE: این نوع تکنولوژی بطور گسترده ای در اندازه گیری شتاب کاربرد دارد. گستره فرکانسی اندازه گیری توسط این سنسورها از حدود چند هرتز تا 30 کیلوهرتز، گستره وسیعی از حساسیت، وزن، اندازه، و شکل انتخاب مناسبی را در اختیار کاربر قرار می دهد. شنابسنجهای  PE با خروجی جریان و ولتاژ در دسترس بوده و برای اندازه گیری ضربه و ارتعاش مناسبند.

 

شتابسنج های پیزومقاومتی PR: از این شتابسنج ها بعلت حساسیت کمی که دارند بیشتر برای اندازه گیری ضربه و تکان استفاده میشود تا اندازه گیری ارتعاش. از این سنسورها همچنین بصورت گسترده ای در تست تصادف وسایل نقلیه استفاده میشود. شتابسنج های PR پهنای باندی در حدود چند صد هرتز تا 130 kHz دارند و پاسخ فرکانسی آنها در حدود صفر هرتز است ( پاسخ DC) در نتیجه آنها میتوانند پاسخ گذرای طولانی مدّت را اندازه بگیرند.

 

شنابسنج های خازنی VC: این دسته از شتابسنج ها نسبت به سایرین دارای تکنولوژی جدیدتری هستند. مانند PRها، پاسخ شتابسنجهای VC از نوع DC است. حساسیت بالا، پهنای باند باریک (15 تا 3000 هرتز)، و پایداری حرارتی عالی از مشخصات این سنسورهاست. حساسیت حرارتی این سنسورها کمتر از 1.5 درصد در گستره حرارتی 180 درجه سلسیوس است. از این قطعات برای اندازه گیری ارتعاشات فرکانس پایین، جنبش، و شتاب حالت پایدار استفاده میشود.  

 

نوع اندازه گیری

 

ابتدا میخواهیم انواع اندازه گیری ابتدایی را توضیح دهیم. بنا بر اهدافی که این مقاله در پی آن است، اندازه گیری شتاب را به موارد زیر تقسیم کرده ایم:

 

ارتعاش – به جسمی که در محدوده یک وضعیت متعادل نوسان کند گفته میشود که ارتعاش دارد. ارتعاش یا لرزش را می توان در حمل و نقل، جو زمین، و محیطهای صنعتی یافت.

شوک یا ضربه – تحریک ناگهانی و زودگذر یک ساختار باعث ایجاد رزونانس ساختاری میشود. یک پالس ضربه می تواند در نتیجه انفجار، ضربه یک چکش، یا تصادف یک وسیله نقلیه ایجاد شود.

جنبش – عبارتست از حرکت آهسته یک رویداد مانند حرکت بازوی یک روبات.

سیزمیک (لرزش وابسته به زمین لرزه) – این رویداد بیشتر شبیه یک حرکت کند یا ارتعاش با فرکانس پایین است. اندازه گیری این کمیت به شتاب سنج ویژه با دقت تفکیک بالا و نویز کم نیاز دارد. از شتاب سنجهای سیزمیک برای اندازه گیری حرکت پلها، سطوح، و زمین لرزه استفاده میشود.

 

این مطلب ادامه دارد...  

 هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر مرجع مجاز می باشد.

مرجع

+ نویسنده :سنسور ,Wed 15 Apr 2009 , 4:6 AM |

بنـــــــــام خدا

تقدیم به همۀ شما خوانندگان محترم وبلاگ سنسورها

 

+ نویسنده :سنسور ,Tue 17 Mar 2009 , 6:13 PM |

 بنـــــــام خــــــــدا

سنسورهای فیبر نوری قطعاتی بر پایه تکنولوژی فیبر هستند که برای سنس کمیت هایی نظیر دما و کشش مکانیکی Strain از آنها استفاده میشود. البته گاهی از این سنسورها نیز میتوان برای سنس میزان ارتعاش، فشار Pressure، شتاب، و یا حتی تعیین غلظت یک ماده شیمیایی استفاده نمود.

اساس کار این قطعات مبتنی بر ارسال یک پرتو نور از منبع لیزری (اغلب نور لیزر تک فرکانسی) یا یک منبع فوق درخشان (Super-luminescent) درون یک فیبر نوری است. خواص نور ارسال شده در طول فیبر با توجه به عوامل و اثرات فیزیکی وارد به آن تغییر یافته و سرانجام در سوی دیگر فیبر به یک دتکتور یا آشکارساز میرسد. از مزایای این روش اندازه گیری نسبت به سایر روشها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1.      سنسورهای مبتنی بر فیبر نوری از مواد عایق الکتریکی ساخته شده اند و به کابل برق نیاز ندارند لذا در محیطهایی که تحت ولتاژ بسیار بالایی هستند براحتی میتونند بکار گرفته شوند.

2.      این سنسورها نسبت به تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) و حتی رعد و برق مصون هستند و خود نیز هیچ تداخل الکتریکی برای سایر وسایل ایجاد نمیکنند.

3.      از مواد شیمیایی بی اثر (Chemically Passive) ساخته میشوند لذا مشمول خوردگی و یا آلوده کردن محیط پیرامون نمیشوند.

4.      در محیطهای با قابلیت انفجار نظیر پالایشگاههای گاز، فراوری بنزین و ... قابل استفاده اند، چرا که جرقه الکتریکی ندارند حتی اگر معیوب شوند.

5.      این قطعات گستره وسیعی از دمای کار را شامل میشوند که تقریباً هیچ قطعه الکترونیکی دیگری مانند آنها نیست.

6.      سنسورهای مختلف مبتنی بر فیبر نوری توانایی بکارگیری همزمان در یک رشته فیبر را دارند.

تئوری کار این سنسورها بر اساس شبکه فیبر Bragg است (این شبکه در اصطلاح FBG یا Fiber Bragg Grating نامیده میشود). شبکه برَگ شامل اختلالات تناوبی یا غیر تناوبی ضریب شکست موثر Effective Refractive Index در هسته یک فیبر نوری است (شکل یک). این تداخلات تقریباً در طول معینی از فیبر به اندازه مثلاً چند میلیمتر یا چند سانتیمتر تناوبی است و دوره تناوب آن معمولاً توانی از صد نانومتر یا بیشتر است.

شکل یک: ساختار FBG. هسته فیبر دارای تغییرات تناوبی ضریب شکست بر حسب طول فیبر است. قطر روکش معمولاً 125 میکرمتر و قطر هسته در حدود 8 تا 10 میکرون است.

بر این اساس، تداخلات ضریب شکست منجر به انعکاس نور (منتشر شده در طول فیبر) در گستره بسیار کمی از طول موج میشود. این طول موج (که گاهاً از آن بعنوان طول موج حداکثر بازتابی یا Maximum Reflectivity Wavelength یاد میشود) نتنها به دوره ی تناوب شبکه Bragg بلکه به دما و کشش مکانیکی وارده به فیبر نیز رابطه دارد ( تغییرات دما و کشش باعث تغییر در طول جزیی شبکه فیبر برَگ میشود). در واقع اثر مستقیم کشش مکانیکی یا Strain به کاهش ضریب شکست منجر میشود. همچنین دما نیز اثر مستقیمی بر ضریب انبساط دمایی خواهد گذارد. این اثرات که مستقیماً منجر به تغییر طول موج فیبر میشوند را میتوان با تکنیکهایی مختلف تشخیص داد و کمیت مورد نظر را اندازه گیری کرد(شکل دو).

reflectivity spectrum of FBG

شکل دو - تغییرات طیف بازتابش نوردر برابر تغییرات ضریب شکست در FBG بطول 5.4 میلیمتر

اساس کار سنسور حرارتی فیبر نوری مبتنی بر منبع نوری در یک سر فیبر است که نور را درون فیبرنوری منتشر میکند تا در انتهای دیگر فیبر، سنسوری که به فیبر متصل است آنرا دریافت کند. در اینصورت سر سنسور باید دارای محفظه ی قابل اتصال به فیبر نوری باشد. یک سطح فلزی صیقلی به محفظه در نزدیکی انتهای فیبر متصل است تا یک فضای خالی با طول مشخص بین سطح صیقلی و فیبر نوری را شکل دهد. همچنین سیستم آشکارسازی به فیبر نوری متصل میشود تا دمای سنسور، ناشی از نور بازتابیده به سطح صیقلی را تعیین کند. تغییرات دمای محیط نهایتاً باعث تغییر طول موج نور منتشر شده درون فیبر شده و سنسور تعبیه شده در انتهای فیبر این تغییرات را سنس کرده و سپس در سیستم پردازشگر و نمایشگر میزان تغییرات دما بنمایش در میآید (شکل سه).

 

شکل سه - اجزای سنسور فیبر نوری

برای تهیه این مطلب از منابع زیر کمک گرفته شده است:

Fiber optic temperature sensor

Fiber-optic Sensors

 هر گونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز است.

+ نویسنده :سنسور ,Sun 8 Mar 2009 , 2:59 PM |

بنام خـــــــــدا

بیوسنسورها طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. بیوسنسورها یا سنسورهای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردها نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل میشود.

توسعه بیوسنسورها از 1950 با ساخت الکترود اکسیژن توسط لی لند کلارک در سین سیناتی آمریکا برای اندازه گیری غلظت اکسیژن حل شده در خون آغاز شد. این سنسور همچنین بنام سازنده ی آن گاهی الکترود کلارک نیز خوانده میشود. بعداً با پوشاندن سطح الکترود با آنزیمی که به اکسیده شدن گلوکز کمک میکرد از این سنسور برای اندازه گیری قند خون استفاده شد. بطور مشابه با پوشاندن الکترود توسط آنزیمی که قابلیت تبدیل اوره به کربنات آمونیوم را داراست در کنار الکترودی از جنس یون NH4++ بیو سنسوری ساخته شده که میتوانست میزان اوره در خون یا ادرار را اندازه گیری کند. هر کدام از این دو بیوسنسور اولیه از ترنسدیوسر متفاوتی در بخش تبدیل سیگنال خویش استفاده میکردند. در نوع اول میزان قند خون با اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده اندازه گیری میشد (آمپرومتریک) در حالیکه در سنسور اوره اندازه گیری غلظت اوره بر اساس میزان بار الکتریکی ایجاد شده در الکترودهای سنسور صورت می پذیرفت (پتنشیومتریک Potentiometric).

ممکن است روزی فرا رسد که بیمار بدون نیاز به مراجعه به پزشک و تنها بر مبنای اطلاعاتی که توسط یک COBD یا Chip-on-Board-Doctor فراهم میشود نوع بیماری تشخیص داده شده و سپس داروهای مورد نیاز مستقیماً درون خون تزریق شود. این مسئله باعث خواهد شد که دوز مصرفی دارو بسیار پایین آمده و ضمناً از میزان اثرات جانبی دارو Side-Effect بطرز فاحشی کاسته شود، چرا که دارو مستقیماً به محل مورد نیاز در بدن ارسال میشود.

کاری که یک بیوسنسور انجام میدهد تبدیل پاسخ بیولوژیکی به یک سیگنال الکتریکی است و شامل دو جزء اصلی: پذیرنده Receptor و آشکارکننده Detector است. قابلیت انتخابگری یک بیوسنسور توسط بخش پذیرنده تعیین میشود. آنزیمها، آنتی بادی ها، و لایه های لیپید (چربی) مثالهای خوبی برای Receptor هستند.

وظیفه دتکتور تبدیل تغییرات فیزیکی یا شیمیایی با تشخیص ماده مورد تجزیه (Analyte) به یک سیگنال الکتریکی است. کاملاً واضح است که دتکتورها قابلیت انتخاب در نوع واکنش صورت گرفته را ندارند. انواع دتکتورهای (یا ترانسدیوسرها یا مبدلها یا آشکارسازها) مورد استفاده در بیوسنسورها شامل: الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک و حرارتی میباشند. در نوع الکتروشیمیای عمل تبدیل به یکی از صورتهای: آمپرومتریک، پتانشیومتریک، و امپدانسی صورت میپذیرد. متداولترین الکترودهای مورد استفاده در نوع پتانشیومتریک شامل: الکترود شیشه ای Glass Electrode، الکترود انتخابگر یونی Ion-Selective، و ترانزیستور اثرمیدان حساس یونی Ion-sensitive FET یا ISFET هستند.

بطورکلی یک بیوسنسور شامل یک سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized نظیر یک دسته سلول، یک آنزیم، و یا یک آنتی بادی و یک وسیله اندازه گیری است. در حضور مولکول معینی سیستم بیولوژیکی باعث تغییر خواص محیط اطراف میشود. وسیله اندازه گیری که به این تغییرات حساس است، سیگنالی متناسب با میزان و یا نوع تغییرات تولید میکند. این سیگنال را سپس میتوان به سیگنالی قابل فهم برای دستگاههای الکترونیکی تبدیل کرد.

مزایای بیوسنسورها بر سایر دستگاههای اندازه گیری موجود را میتوان بطور خلاصه بصورت زیر بیان کرد:

  • مولکولهای غیرقطبی زیادی در ارگانهای زنده شکل میگیرند که به بیشتر سیستمهای موجود اندازه گیری پاسخ نمی دهند. بیوسنسورها میتوانند این پاسخ را دریافت کنند.
  • مبنای کار آنها بر اساس سیستم بیولوژیکی ایستا Immobilized تعبیه شده در خود آنهاست، در نتیجه اثرات جانبی بر سایر بافتها ندارند.
  • کنترل پیوسته و بسیار سریع فعالیتهای متابولیسمی توسط این سنسورهای امکان پذیر است.

فایل 914 کیلوبایتی تحت عنوان بیوسنسور که برای ارائه در درس سنسور آماده شده است را میتوانید از اینجا دانلود کنید.

همچنین از اینجا میتوانید فایلی تحت عنوان Biosensors: A Tutorial Review را دانلود کنید. 

در تهیه این مطلب علاوه بر جستجو در سایتهای اینترنتی از مقاله فوق نیز استفاده شده است.

هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز است. 

+ نویسنده :سنسور ,Sat 7 Mar 2009 , 2:37 PM |

به نام خدا

دانشگاه نیگاتای ژاپن در سال 2004 سنسور هیدروژنی را ارائه نمود که بر اساس تولید نیروی محرکه الکتریکی یا EMF کار میکند. این سنسور شامل دو الکترود است (شکل یک) که دارای پتانسیل شیمیایی متفاوتی در حضور گاز هیدروژن اند. الکترود اول از ماده ای با پتانسیل شیمیایی بالاتر و الکترود دوم از ماده ای با پتانسیل شیمیایی پائینتری ساخته شده اند. الکترود اول بصورت الکترود آشکارساز گاز هیدروژن عمل میکند و الکترود دوم نقش الکترود مرجع یا استاندارد را داراست. بدین لحاظ در حضور گاز هیدروژن اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود ایجاد میشود که دامنه ی تغییرات آن متناسب با میزان گاز هیدروژن موجود در محیط است. تیمی به سرپرستی پروفسور هارادا  Prof Harada این سنسور را طراحی و ساختند.

شکل یک - ساختار سنسور

اساساً سنسورهای الکترولیتی هیدروژنی دارای ساختار پیچیده ای نبوده و تقریباً همگی از یک استراکچر تبعیت میکنند. شکل زیر استراکچر جنرال این سنسورها را نشان میدهد که البته با آنچه دانشگاه نیگاتا طراحی کرده  متفاوت است.

از آنجاییکه نسل بعدی سوخت موتورها بسرعت بسمت هیدروژن سوز شدن میل میکند، نیاز به چنین سنسورهایی که بتوانند نشت بسیار اندک هیدروژن را تشخیص داده و به موقع اعلام خطر کنند بسیار ضروری است. میدانیم که ترکیب شدن هیدروژن با اکسیژن در محیط کنترل نشده بسیار خطرناک و توأم با انفجار شدید است.

سنسورهای رایج هیدروژن بیشتر شامل سه نوع نیمه هادی، نوع یونیزه شونده، و نوع احتراقی هستند، بطوریکه میزان هیدروژن موجود در محیط بصورت غیر مستقیم توسط هر یک از این سنسورها اندازه گیری میشود. مثلاً در نوع نیمه هادی تغییرات حجم گاز هیدروژن باعث تغییرات غلظت حاملها، در سنسور یونیزه شونده باعث تغییرات غلظت یونها و در نوع احتراقی فعل و انفعال حرارتی باعث ایجاد بخار آب شده و سپس میزان غلظت آب اندازه گیری و از روی آن غلظت هیدروژن محیط بدست میآید.

همانگونه که مشاهده میشود در هر یک از سنسورهای فوق کمیت تولید شده ی پاسخ سنسور یک کمیت فیزیکی است و برای اهداف کنترلی باید این کمیت بصورت الکتریکی در آید. در نتیجه کل زمان پاسخ سنسور و زمان تبدیل کمیت توسط ترنسدیوسر Transducer در حدود 100 ثانیه و بیشتر خواهد شد. بعلاوه بعنوان مثال در سنسورهای هیدروژن نیمه هادی حداقل میزان و حجم هیدروژن مورد نیاز برای آزاد کردن یک اکسیژن با بار منفی و در نتیجه تغییر در مقاومت سنسور ممکن است آنقدر زیاد باشد که منجر به انفجار شود. مشکل سطح بزرگ مورد نیاز برای فعل و انفعال هیدروژن با لایه اکتیو را نیز به این مشکلات بیافزاییم، در نتیجه نیاز به سنسور هیدروژن حساس به غلظت بسیار کم و زمان پاسخ بسیار بالا بسیار ضروری بنظر میرسد.

سنسور ساخته شده توسط تیم پروفسور هارادا دارای زمان پاسخی کمتر از یک ثانیه است و تنها به چهار الی پنج ثانیه زمان بازیافت یا Recovery نیاز دارد (شکل 2). ولتاژ EMF سنسور در حضور صفر درصد هیدروژن معادل اختلاف پتانسیل شیمیایی اولیه دو الکترود بوده که کمی بیش از 0.8 ولت است و در حضور 0.8 درصد غلظت هیدروژن این میزان به حدود 0.15 ولت میرسد (شکل 3).

شکل دو - پاسخ سنسور

شکل سه - میزان حساسیت سنسور

سرانجام اینکه این سنسور بواسطه حجم بسیار کوچکی که داشت بهمراه یک تقویت کننده ولتاژ درون یک بسته بندی جای داده شد و روانه بازار گردید (شکل چهار). ابعاد واقعی این محصول به اندازه یک اُپ اَمپ 741 با بسته بندی پلاستیکی است. 

  

شکل چهار - نمایش پایه های سنسور بهمراه تقویت کننده

شکل زیر اسکرین شاتی از فیلم بنمایش درآمده از نحوه عملکرد این سنسور را نشان میدهد که در آن سنسور در یک Test Bed برای انجام آزمایش قرار داده شده است.

این فیلم نحوه عملکرد سنسور و تست آنرا نمایش میدهد. برای کمتر کردن حجم فیلم فرمت آن به flv تغییر داده شده است که با Realplayer ورژن 9 به بالا قابل پخش است. برای دانلود کل گزارش ثبت اختراع و طراحی وساخت این سنسور اینجا را کلیک کنید.

هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز می باشد.

+ نویسنده :سنسور ,Wed 18 Feb 2009 , 3:44 AM |

بنام خدا

پاسخ به ایمیل رسیده:

دوستی سوال بسیار بجایی در مورد سنسورهای امپدانس مغناطیسی نموده اند که لازم دیدم آنرا موضوع این پست قرار دهم. سوال این دوست ارجمند بدین شرح است:

… I have another question. Could you possibly answer it? What’s the difference between magnetoresistance (GMR) and magnetoimpedance (GMI) sensors? Because some of the papers you have referred are about magnetoresistance sensors….

اما پاسخ این دوست گرامی:

GMR یا مقاومت مغناطیسی بسیار عظیم Giant Magnetic Resistance یک اثر مقاومت مغناطیسی مکانیک کوانتوم است که در ساختارهای فیلم نازک با لایه های متناوب فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی بوجود میآید. این اثر بطور آشکار کاهش قابل توجه مقاومت الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی را نشان میدهد. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، جهت مغناطیس شوندگی لایه های فرومغناطیسی همجوار در یک راستا نیست چرا که کوپل ضعیف آنتی-فرومغناطیسی بین لایه ها مانع از همراستا شدن خطوط میدان مغناطیسی میگردد. این پدیده منجر به پراکندگی شدید مقاومت مغناطیسی میشود. اما درحضور میدان مغناطیسی خارجی، مغناطیس شوندگی لایه های فرومغناطیسی همجوار بصورت موازی و در یک راستا قرار میگیرد و در نتیجه پراکندگی مغناطیسی کمتر و بالطبع مقاومت الکتریکی کاهش میآبد.

این اثر برای اولین بار در سال 1988 بر روی فیلم نازک سه لایه ای آهن/کروم/آهن (توجه کنید: آهن فرومغناطیس/ کروم غیرمغناطیس/ آهن مجدداً فرومغناطیس) توسط یک تیم محقق به سرپرستی پیتر گرونبرگ از مرکز تحقیقاتی یولیخ در آلمان و بطورهمزمان و البته کاملاً مستقل توسط تیمی به سرپرستی پروفسور آلبرت فِرت از دانشگاه پاریس-سود بر روی فیلمهای چند لایه ای از جنس آهن/کروم  کشف و سپس این پدیده بصورت تجاری در هارد دیسکها بکارگرفته و منجر به توسعه آنها بصورت هاردهای گیگابایتی شد. کشف GMR منجر به تولد شاخه ای جدید از علم الکترونیک نیز شد که آنرا "الکترونیک انتقال چرخشی" یا Spintronics  مینامند. بعلاوه، کشف GMR جایزه نوبل فیزیک در سال 2007 را نصیب کاشفان آن یعنی پیتر گرونبرگ و آلبرت فِرت کرد. از مهمترین کاربردهای GMR میتوان به کاربرد وسیع آن در هد هارد دیسکهای مدرن و سنسورهای مغناطیسی اشاره کرد. انواع جدیدتر حافظه های غیر فرّار شامل MRAM ها یا Magnetoresistive Random Access Memory نیز بر اساس اثر GMR کار میکنند.

اما در مورد تفاوت اثرات GMR و GMI باید به این نکته اشاره کرد که هر دو پدیده تا حدودی شبیه هم هستند با این تفاوت که در GMR تغییرات مقاومت یک ماده مغناطیسی ناشی از میدان مغناطیسی  خود ماده است که از پراکندگی الکترونهای چرخشی آن در یک سیستم مغناطیسی غیریکنواخت و در جریان الکتریکی مستقیم و یا در فرکانسهای پایین  بوجود میآید. این در حالیست که اثر GMI معرّف تغییرات امپدانس مختلط (مقاومت و اندوکتانس) یک هادی مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی DC است که از آن جریان AC با فرکانس بالا میگذرد. بدین لحاظ اثر GMI یک پدیده وابسته به سطح است و بیشتر بصورت اثر پوستی یا Skin Effect بر سطح هادی بروز میکند. با توجه به همین نکته کارآیی سنسورهای GMI بمراتب بیشتر از سنسورهای  GMR است.

مقاله ای در مورد تاریخچه کشف و اولین کاربرد مقاومت مغناطیسی GMR را از اینجا دانلود کنید. در این مقاله برخلاف بیشتر گزارشها، کشف GMR را به محققی روسی و در سال 1976 نسبت میدهد که از ترکیب ایندیوم-آنتیموان دوپینگ شده با نیکل بعنوان لایه های فرومغناطیسی استفاده کرده بود. لایه های فرومغناطیسی این GMR شامل ترکیب InSb و لایه های غیرمغناطیسی شامل ترکیب NiSb بوده و از آن برای ساخت یک آشکارساز غیرتماسی جریان و اتصال کوتاه در بُردهای الکترونیکی استفاده شده است. تست غیر مخرّب  یا غیر تماسی بردهای الکترونیکی بر پایه سنسورهای GMR و GMI موضوع تحقیق بسیاری از محققان قرار گرفته است. نمونه ای از این دست تحقیقات را میتوانید از اینجا دانلود کنید.  

برای نوشتن بخشهایی از این پست علاوه بر دانشنامه ویکی پدیا و کتاب هندبوک سنسورها (2004)، از مقاله ای در ELSEVIER نیز کمک گرفته شده است.

هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز می باشد.

+ نویسنده :سنسور ,Thu 25 Dec 2008 , 4:48 AM |