تلفات الکتریکی در سنسورهای گاز - قسمت دوم

بنام خـــــــــــدا

قسمت اول را در اینجا بخوانید

همانطوریکه در پستهای قبلی نیز گفته شد، کنترل هوای آلوده محیط اطراف یکی از دغدغه های مهندسین محیط زیست است. هوا ترکیبی از گازهای متفاوت است که با توجه به محیط سنجش ممکن است شامل گازهایی نظیر ساکس (SO_x – خانواده اکسید سولفور مانند SO، SO₂ و ...)، ناکس (NO_x – خانواده اکسید نیتروژن مانند اکسید نیتریک NO، دی اکسید نیتروژن NO₂، تری اکسید دی نیتروژن N₂O₃، اکسید نیتروژن N₂O و ...)، آمونیاک (NH₃)، سولفید هیدروژن (H₂S)، منواکسیدکربن (CO) و یا ترکیباتی مانند فرّار آلی باشد. در این بین CO یکی از مهمترین گازهایی است که در عرصه تحقیق سنسورهای گاز مورد استفاده محققان قرار گرفته است. بعلاوه، ساخت سنسورهای گاز با حداقل قیمت و در دسترس قرار داشتن آن برای همه یکی از مهمترین موضوعات تحقیق است.

در این بین سنسورهای گاز فیلم ضخیم سهولت ساخت و در نتیجه قیمت بسیار پایینی را بهمراه خود دارند. اما مشکل اساسی در توان بالای هیتر این سنسورهاست، بطوریکه بعنوان مثال برای تشخیص یکی از گازهای فوق نیاز به تولید دمای بیش از 250 درجه سانتیگراد توسط هیتر است. در نتیجه در بهترین حالت طراحی و با حداقل هزینه، تلفات توان هیتر به حدود 450 میلی وات میرسد (این محاسبه برای میندری Meander از جنس پلاتین که در سطحی معادل 4 در 7 میلیمتر، بطول متوسط 36 میلیمتر و به ضخامت متوسط 10 میکرومتر روی یک زیرلایه از جنس آلومینا به ضخامت 250 میکرون پرینت و در دمای هزار درجه سانتیگراد فایر شده صورت گرفته است – مقاومت هیتر در دمای اتاق در حدود 2±33 اهم اندازه گیری شد) و این یعنی نیاز به 150 میلی آمپر جریان برای ولتاژ 5 ولتی هیتر.

در نتیجه استفاده از این تکنولوژی ساخت تنها در مرحله تحقیق – برای بررسی فوری پاسخ سنسور نسبت به مواد استفاده شده در لایه اکتیو – و در محلی که تلفات توان چندان مهم نیست و یا دمای محیط در حد دمای مورد نیاز برای کار سنسور – مانند اگزوز اتومبیل – و ... است، باقی می ماند. در عین حال ترکیب این تکنولوژی با تکنولوژیهای رایج دیگری مانند فیلم نازک می تواند به کاهش مطلوب تلفات هیتر منجر شود.

در پستی در مورد ساختار سنسورهای گاز بر مبنای تکنولوژی MEMS توضیح دادم. در این پست قصد دارم تا بخشی از تجربیات خویش در زمینه بکارگیری بیشتر این تکنیک در ساخت سنسور گاز را ارائه کنم.

همانطوریکه قبلاً هم گفته شد، سنسورهای گاز که بر اساس ماشینکاری بر روی زیرلایه Si ساخته میشوند بواسطه سازگاریشان با پروسه ساخت ICها بسیار امیدبخش هستند. این تکنولوژی برای اولین در دهه 90 میلادی و با ساخت نخستین میکرو صفحات داغ MHP یا Micro-Hot-Plate توسط گروه NIST و با چاپ مقاله ای در 1993 آغاز شد. در یک دهه گذشته فعالیت پیرامون ساخت سنسورهایی با حداقل توان مصرفی موضوع روز تحقیقات شد. یکی از مشکلات پیش رو در این زمینه ساختار شکننده غشای بسیار نازک دی الکتریکی بود که باید MHP را از بقیه اجزای چیپ جدا میکرد.

کلاً اکسیدهای نیمه هادی مانند دی اکسید قلع SnO₂ و تری اکسید ایندیوم In₂O₃ در زمره مواد عالی از نقطه نظر شیمیایی مقاوم برای تشخیص گاز می باشند. سنسورهای گاز فیلم ضخیم SnO₂ جزو ارزان قیمت ترین سنسورهای گازند که پاسخی بسیار عالی در مواجهه با گازهای متنوع دارند. البته این پاسخ بسته به نوع دوپینگ و دمای کار سنسور فرق خواهد کرد و در نتیجه بعد از ساخت سنسور نیاز به مشخص کردن دمای کار سنسور برای تشخیص گاز مورد نظر است.

همچنین خود SnO₂ این قابلیت را دارد که با تغییر دمای Sintering یا کلوخه سازی از 550 تا 1150 درجه سانتیگراد (مثلاً در بازه های 100 درجه ای) ساختار و فرم کریستالیش تغییر کند و در نتیجه حساسیت های متفاوت نسبت به گازهای متفاوت در آن ایجاد شود. بطور خلاصه میتوان عوامل موثر بر قدرت انتخاب و یا Selectivity سنسورهای بر پایه اکسید قلع را بصورت زیر برشمرد:

ماده دوپینگ و میزان آن، دمای کار، تغییر در کریستال و مورفولوژی SnO₂، نوع و شکل IDT (کنتاکتها)، نوع و ضخامت لایه فیلتر و کاتالیست، ضخامت لایه اکتیو (موثر در جذب سطحی Adsorption یا جذب در حجم Bulk و سپس دفیوز  Defuse به سطح) و ...

اما برای اینکه از بحث اصلی که طراحی سنسور گاز MEMS است دور نشویم، بطور خلاصه متذکر میشوم که این سنسور شامل هیتری پلاتینی با ساختار MHP و لایه ای حساس به گاز از جنس SnO₂ است که مانند سایر انواع سنسورهای گاز کانداکتیو بر روی الکترودهایی از جنس طلا با ساختار IDT (Interdigitated Electrode) نشانده شده است. کل مجموعه فوق در مرکز یک غشای بسیار نازک دی الکتریک قرار گرفته است.

برای ساخت این سنسور، هفت ماسک متفاوت نیاز است که بترتیب عبارتند از: حفره بالایی، MHP، عایق، الکترود، کنتاکتها، لایه حسگر، و سرانجام حفره زیرین.

از آنجایی که این ساختار تقریباً مشابه ساختاری است که قبلاً در مورد آن توضیح دادم، از این رو میتوانید به همان تصویر استناد کنید.

اما آنچه در این پست مد نظر است و در واقع مهمترین بخش این نوع از سنسور گاز است ساخت هیتر آن میباشد، چرا که کنترل و توزیع دمای مورد نیاز برای Reaction در سطح نیمه هادی به این المان بستگی دارد. رنج دمای مورد نیاز برای سنسورهای گاز بر اساس SnO₂ معمولاً کمی کمتر از 450 درجه سانتیگراد است که البته به نوع گاز مورد هدف بستگی دارد. در نتیجه لازم است هیتری طراحی شود که قادر باشد در رنج گسترده دمای اتاق تا 450 درجه سانتیگراد کار کند. برای این منظور به ماده ای نیاز است که دارای ضریب انبساط حرارتی قابل قبولی بوده، بعلاوه مقاومت الکتریکی آن با تغییر دما خیلی تغییر نکند. مواد مناسب برای اینکار پلاتین و اکسید روتنیوم Ru₂O یا Ruthenium Oxide مناسبترین مواد هستند [مقاله بسیار مفید در مورد سنسور گاز با هیتر روتنیومی را از اینجا دانلود کنید. همچنین در سال 2005 دانشگاه دیوک آمریکا نیز از نانو  وایرهای RuO2 برای ساخت سنسور گاز اکسید نیتریک استفاده کرد.]. در این طرح برای ساخت هیتر از پلاتین استفاده شده است. بدین ترتیب که هیتر پلاتینی درون غشای Si₃N₄ قرار گرفت.          

این مطلب در حال کامل شدن است.

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

کالیبراسیون سنسورهای گاز

بنام خـــــــــــدا

سنسورهای گاز باید بطور منظم کالیبره و چک شوند تا از میزان دقت سنسور و سیستم قرائت آن اطمینان حاصل شود. برای تست منظم سنسورهای گاز ، بهتر است آنها را در مکانی نصب کرد که دسترسی به آنها آسان باشد. معمولاً زمان بازدید و کالیبره کردن سنسورها توسط سازنده سنسور در کاتالوگ آن ارائه شده است. اما بهر حال تجربه نشان میدهد که  در بازه زمانی 30 روزه بعد از نصب سنسور بهتر است سنسور بطور مرتب مانیتور و چک شود، چرا که میزان تطابق پذیری یا Adaptability  سنسور با محیطی که در آن نصب شده است در همین مدت 30 روز مشخص خواهد شد. 

مسائل و مشکلاتی مانند اثر حرارت مستقیم، میزان رطوبت، و لرزش محل نصب تاثیر خود را براحتی در طی این سی روز نشان میدهد. در صورتیکه قصد چکاپ سنسور گاز بعد از نصب را دارید بهترین برنامه تست چهار روز درمیان سنسور در سی روز اول است.

کالیبریشن سنسورهای گاز در محل بسیار ساده تر از روش کالیبراسیون آزمایشگاهی است و کلاً شامل دو مرحله میشود: ا. ابتدا صفر Zero تنظیم میشود و 2. سپس محدوده قرائت یا اندازه گیری Span کالیبره میشود.

1. تنظیم صفر: بسیاری بر این عقیده اند که برای تنظیم صفر سنسور گاز بهترین کار اعمال نیتروژن یا ترکیبی از هوای تمیز - با رطوبت معین - به سنسور و سپس اندازه گیری سیگنال خروجی سنسور است. البته این روش برای محیطهایی نظیر آزمایشگاههای مواد غذایی، بیمارستانها و ... ممکن است کاربرد داشته باشد اما در محیطهای صنعتی این روش ، روش جالبی نیست چرا که محیط نرمال در چنین اماکنی دارای حداقل گازهایی است که میتوان از آنها بعنوان شاخص صفر استفاده کرد. همچنین باید میزان رطوبت نرمال محیط را مد نظر داشت.  در این صورت تنظیم صفر سنسور بسیار واقع گرایانه می نماید.

2. تنظیم Span: تنظیم محدوده عملکرد سنسور گاز هم میتواند بسیار ساده باشد و هم بسیار پیچیده. در حالتی که سنسور گاز برای مانیتور کردن گازهای بیخطر و نرمال بکار میرود، تنظیم محدوده عملکرد سنسور با ایجاد و اعمال یک زمینه یا Background از ترکیبی از گازهای هدف به میزان مشخص میتواند منجر به تعیین محدوده عملکرد سنسور شود. از طرفی اگر سنسور گاز بعنوان مثال سنسور هیدروژن یا H2S باشد در اینصورت ریسک و خطر کالیبره کردن سنسور بسیار بالا میرود. بعضی از مهندسین توصیه میکنند که در این مواقع سنسور را کالیبره کردن به آزمایشگاه انتقال داد و سپس در محیط ایمن نسبت به تست آن اقدام کرد. این روش البته بسیار دقیق و با ریسک بسیار پایین است اما هزینه بر و زمان بر است. در اینصورت استفاده از کیسه های پلاستیکی Gas Sampling Bag حاوی مقدار بسیار اندکی از گاز هدف (تصویر یک) و یا بکارگیری ظروف کالیراسیون Calibration Can  (تصویر دو) جایگزین مناسبی هستند تا سنسور را در محل کالیبره کرد.

تصویر یک - کیسه کالیبراسیون سنسور گاز

تصویر دو - قوطی کالیبراسیون گاز از شرکت Microcan

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

بهبود هوای محیطهای بسته به کمک سنسورهای CO2 (بخش اول)

بنام خـــــــــــدا

ایده اندازه گیری میزان دی اکسید کربن در محیطهای بسته و سپس کنترل و تنظیم سیستمهای تهویه سالهاست که مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است. عده ای معتقدند که این روش بیشتر از آنکه سودده باشد آنالیزکننده است. اساس این روش بدین شرح است: بیشتر از آنچه مورد نیاز است از محیط خارج هوا وارد محیط داخل نکنیم، چرا که این هوای اضافی باید خنک شود، گرم شود، رطوبت آن گرفته شود، مرطوب گردد، فیلتر شود و ...

در عوض، میتوان تعداد افراد درون محیط بسته را شمارش کرده و با استفاده از یک وسیله کم مصرف نرخ هوای تازه ی ورودی را کنترل نمود. با توجه به اینکه همه ما در بازدم دی اکسید کربن بیرون میدهیم، اندازه گیری میزان این گاز می تواند تخمین نسبتاً دقیقی از فضای اشغال شده در اتاق و کیفیت هوای آن را ارائه کند. این سیستم که بصورت کنترل تهویه بر اساس میزان تقاضا کار میکند اختصاراً Demand-Control Ventilation System یا DCV نامیده میشود. سیستم DCV در کم کردن اتلاف انرژی بسیار موثر است و تا 15 فوت مکعب بر دقیقه هوای تازه را برای حداکثر میزان فضای اشغال شده ارائه میکند.

استفاده از سنسورهای CO2 تقریباً در بسیاری نقاط بصورت یک اجبار درآمده و قوانین مربوط به آن نیز وضع شده است. ماده 24 کمسیون انرژی کالیفرنیا بر استفاده از سیستم DCV در  اماکنی با بیش از 25 نفر بر 1000 فوت مربع تصریح دارد. بند 62 استاندارد ASHRAE (انجمن مهندسی گرمایش، سرمایش، و تهویه هوای آمریکا یا American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) استفاده از سنسورهای CO2 را برای کنترل میزان تهویه هوا تا جائیکه ضوابط رعایت شوند مجاز میداند. سیستمهای DCV بهترین گزینه برای اماکنی است که بطور متناوب یا بصورت غیر قابل پیش بینی توسط افراد اشغال میشوند نظیر: تالارهای کنفرانس و همایشها، کلاسهای درس، سالنهای سینما، فرودگاهها و ... از دیگر موارد کاربرد این سیستم میتوان به بیمارستانها و حتی کازینوها اشاره کرد که در این دو محیط کنترل حد مجاز CO2 بحرانی تر است (اولی بخاطر شرایط ویژه بیماران و دومی بدلیل تحرک بالاتر و مصرف دخانیات که هر دو باعث افزایش نرخ CO2 میشود). 

در ادامه این مطلب در قسمت دوم با خصوصیت سنسورهای CO2 برای این سیستم و همچنین نحوه عملکرد آن آشنا خواهیم شد.

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

یک سنسور اثر انگشت ساده

 بنام خــــــــــــــــــــدا

سنسور اثر انگشت ارزانی که مستقیماً از روی جریان شیارهای انگشت هنگامی که صفحات حساس را لمس میکنند در اینجا توضیح داده خواهد شد.

همانگونه که میدانید اثر کف پا و انگشت افراد با یکدیگر متفاوت است. این اثر توسط شیارهایی صورت گرفته است که یک شکل نبوده و در افراد مختلف بصورت منحنی هایی است که ابتدا و انتهایی منحصر بفرد دارند. در این راه برای تعیین اثر انگشت ساده ترین راه استفاده از حسگرهای خازنی است. حسگرهای خازنی دارای مزایایی نسبت به سایر حسگرها (نظیر پردازشگرهای تصویری و ...) هستند که بشرح زیر است:

1. آنها خروجی سری ایجاد میکنند که باعث میشود Pattern Recognation در سیگنال بجای پردازش تصویری داشته باشیم.  

2. سنسورهای اثر انگشت خازنی بر مبنای تغییرات کانداکتنس ناشی از شیارهای انگشت کار میکنند لذا میزان رطوبت یا روغنی بودن انگشت تاثیر زیادی بر خروجی حسگر ندارد.

3. سطوح متفاوت کانداکتیویتی بین شیارهای انگشت و مواد خارجی نظیر روغن و گریس ، کارآیی بهتر این سنسورها را نسبت به روشهای دیگر ثابت میکند. 

4. این سنسورها بسیار ارزان بوده و با تکنولوژی مرسوم 2 میکرومتری خازن MOS کاملاً قابل انجام است.

(این مطلب در روزهای آتی کامل خواهد شد) 

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

تلفات الکتریکی در سنسورهای گاز

بنــــــــام خـــــــدا

یکی از مشکلات سنسورهای گاز، توان تلف شده در هیتر آن است. در حال حاضر تحقیقات وسیعی در زمینه کاهش این توان چه بصورت ساخت سنسورهای گاز بر روی زیرلایه های پلیمری که در دمای معمولی کار میکنند و چه بصورت تغییر در ساختمان هیتر بوسیله کوچک کردن ابعاد آن بکمک تکنولوژی هایی نظیر MEMS و ... در حال انجام است.

طرح کلی ساختار سنسورهای گاز بر اساس MEMS در شکل زیر ارائه شده است:

شکل یک: ساختار سنسور گاز بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم و MEMS 

در این ساختار، ابتدا حفره ای در یک ویفر Si ایجاد و سپس غشای داخلی حفره توسط لایه نازکی ازSiO2/Si3N4 (اکسید سیلیکون/ نیترات سیلیکون) با تکنیک Sputtering پوشانده می شود. دلیل بکارگیری SiO2 این است که این ترکیب اکسید سیلیکون علاوه بر داشتن ضریب عایقی دی الکتریک 3.9 و ولتاژ شکست در حدود 107 ولت بر سانتیمتر، وقتی روی سیلیکون پوشانده شود، تا دمای ذوب سیلیکون، فوق العاده از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. همچنین Si3N4 علاوه بر واسطه داشتن ضریب عایقی 7.5 و ولتاژ شکست بیش از 100 ولت بر سانتیمتر ، سدی بسیار عالی در مقابل نم و رطوبت است که در نتیجه باعث کاهش اثر رطوبت بر ویفر سیلیکونی میشود. اما باید این نکته مهم را در نظر داشت که تماس مستقیم نیترات سیلیکون با ویفر سیلیکونی باعث ایجاد کشش و استرس سطحی در Si می شود، لذا ابتدا لایه SiO2 روی سیلیکون کشیده میشود تا از اثر استرس ناشی ازSi3N4 جلوگیری شود.

اکنون هیتر بصورت فیلم نازکی از جنس پلاتین با تکنیک رسوب گذاری – یا هر روش دیگر Thin Filmیی نظیر Evaporation و ... – روی ویفر سیلیکونی ایجاد میگردد و سپس روی این هیتر توسط ماده ی عایقی نظیر SiO2 پوشانده میشود. بعد از آن نوبت الکترودهای پلاتینی، نقره ای، یا طلایی است که دقیقاً بر روی هیتر رسوب داده میشوند. در مرحله بعدی لایه حساس به گاز – یکی از اکسیدهای قلع، تنگستن، روی و ... – که در اینجا از SnO2 استفاده شده است، روی الکترودها رسوب داده میشود.

پس از رسوب دادن لایه حساس به گاز، لایه ی عایق نازکی از جنس SiO2 روی آن رسوب داده میشود. هدف از این لایه ی عایق، گذاشتن لایه دیگری بعنوان کاتالیست است که نقش فیلتر گاز را بازی میکند. میتوان با افزودن فلزاتی نظیر پلاتین، طلا، پالادیوم، و یا نقره به SnO2 ، سنسور را به گاز هدف مورد نظر بخوبی حساس کرد. در اینصورت به لایه عایق و سپس کاتالیست دیگر نیازی نخواهد بود.

پس از رسوب دادن لایه عایق بر روی لایه نازک SnO2 ، اکنون میتوان ترکیب کاتالیست مورد نظر (در اینجا پالادیوم/اکسید آلومینیوم) را با تکنیک فیلم ضخیم روی آن چاپ کرد. شکل زیر تصویر گرفته شده توسط SEM از لایه های متفاوت این ساختار را نشان میدهد: 

شکل دو : تصویر SEM گرفته شده از لایه های سنسور

سنسور گاز ساخته شده با این تکنیک در دمای کاری 450 درجه سانتیگراد دارای تلف توانی کمتری از 35 میلی وات خواهد بود. این سنسور توسط شرکت Fuji Electric Advanced Technology توسعه داده شده و بر روی وسایل اندازه گیر و آنالیزورهای گاز ساخت آن شرکت بکار گیری شده است. بخشی از اطلاعات فوق از مقاله چاپ شده توسط این شرکت در ژورنال Elsevier ، مجله سنسور و اکچویتر B، شماره 109  صفحات 185 تا 189 (سال 2005) ارائه شده است.   

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

پرسش و پاسخ درباره سنسورهای گاز

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.

سنسورهای اثر هال - بخش دوم

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.

Cross Sensitivity در سنسورهای گاز

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.

اساس کار سنسورهای فشار (قسمت اوّل) - Pressure Sensors

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:

P_D=h.ρ.g               (7)

و فشار وارده بر سطح پایینی همین بلوک عبارتست از:

P_U=(h+L).ρ.g                  (8)

در نتیجه برآیند فشار وارده بر جسم شناور عبارتست از:

                                                     P_U – P_D =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.

انتخاب درست سنسور شتاب

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