مکانیزم حجم در سنسورهای گاز اکسیژن-قسمت دوم

 

به نام خدا

       در ادامه مطالب مکانیزم حجم در سنسورهای Thick-Film اکسیژن باید به این نکته اشاره کنم که مطابق معادله ارائه شده در سنسورهای لامبدا (برای مشاهده ی بخش اول اینجا را کلیک کنید) حساسیت هدایت الکتریکی به تغییرات فشار جزیی اکسیژن وابسته است. این معادله مشخص می سازد که مقدار کمتر E_A  (اکتیویشن انرژی) باعث کمتر شدن حساسیت پاسخ به گاز اکسیژن نسبت به تغییرات دما خواهد شد.

      اولین ماده ای که بطور جدی در سنسورهای اکسیژن ساخته شده بر اساس موازنه ی حجم Bulk-Equilibration مورد استفاده قرار گرفت دی اکسید تیتانیوم بود که بصورت نیمه هادی نوع n مورد استفاده قرار گرفت. سنسورهای اکسیژنی که با کمک این ماده تهیه می شدند از تیتانات باریوم Barium Titanateبعنوان اکسید فلز در لایه فعال خود استفاده می کردند. مهمترین مزیت این نوع سنسورها نسبت به انواع زیرکونیومی دارا بودن سادگی، سرعت پاسخ انتقال بالاتر، و پایداری بیشتر است.

   BaTiO₃  یا تیتانات باریوم  پودری سفید متمایل به خاکستری ساختاری Perovskite دارد. این ساختار اصطلاحاً به ساختاراکسیدی اطلاق می شود که بر پایه ی فرمول ABO₃ باشد. ساختار پرواسکایت ساختاری چند سویه است و در تکنولوژی کاربردهای فراوانی منجمله کاربرد بعنوان مواد فروالکتریک، کریستالها، سنسورها، و ابررساناها دارد. تیتانات باریوم در بسیاری از اسیدها مثل سولفوریک، هیدروکلریک، و هیدروفلوریک حل میشود. از این رو سنسورهایی که بر پایه ی این ماده ساخته میشوند در محیطهایی اسیدی طول عمر ناچیزی دارند. همچنین این ماده واکنش بسیار اندکی با قلیاها و آب دارد. در حالت خالص ، تیتانات باریوم یک عایق الکتریکی است. از این رو با افزودن مقدار اندکی ماده ی دوپینگ مانند اسکاندیوم Scandium ، ایتریوم Yttrium ، نئودیمیوم Neodymium ، ساماریوم Samarium و نظیر آن آنرا بصورت نیمه هادی در می آورند تا تغییرات هدایت الکتریکی در نتیجه ی وجود گاز هدف را موجب شود.

شکل یک: ساختار کریستالی تیتانات باریوم

    در مقاله ای در شماره ی دوم  سنسورها در سال 2002 (صفحه ی 366 تا 373) به شماره سریال ISSN 1424-8220 ( جهت دریافت مقاله اینجا را  کلیک کنید) سنسور گاز CO₂ یی با کمک این ماده و بهمراه اکسید مس CuO با افزودن فلزات دوپینگی نظیر سریوم Ce ، طلا، نقره، پالادیوم و... مورد مطالعه قرار داده شده است و نتیجه گیری شده است که افزودن نقره بیشترین حساسیت را به گاز هدف دی اکسید کربن در سنسور ایجاد میکند.  

     اما مشکل اصلی در بکارگیری چنین ماده ای این است که دی اکسید تیتانیوم دارای اکتیویشن انرژی حدود 1.5 الکترون ولت در ناحیه هدایت است. این هدایت الکتریکی با تغییری اندک (در حدود 40 درجه سانتیگراد) در دماهایی به میزان 600 درجه سانتیگراد و بالاتر بطور صددرصد وارد ناحیه مقاومت الکتریکی میشود. این مسئله باعث تردید در اندازه گیری مقدار لامبدا بعنوان میزان گاز جذب شده میشود.

      برای رفع چنین مشکلی که نتنها گریبان اکسیدهای فلزی نظیر  TiO₂ را می گیرد بلکه در سایر اکسیدهای فلزی نیز باعث کاهش پایداری و حساسیت می شود دو راه حل عمده پیشنهاد شده است.

      اولین راه حل افزودن یک هیتر به مجموعه ی سنسور است بطوریکه دمای سطح سنسور را ، همانطوریکه قبلاً نیز گفته شد ، ثابت نگهدارد. راه حل دوم جبران سازی تغییرات دما با کمک یک شبکه مقسم ولتاژ است.

     همچنین جایگزینی دی اکسید تیتانیوم با موادی که به اکسیژن حساس بوده و از طرف دیگر دارای اکتیویشن انرژی نزدیک صفر باشند نیز امکان پذیر است.

     در پست بعدی بخش دیگری از سلسله مطالب مکانیزم حجم در سنسورهای اکسیژن را ارائه خواهم نمود.

Optical Sensors

 

به نام خدا

      فوتو سنسورها، سنسورهای آپتیک و یا سنسورهای نوری بطور کلی بر حسب وظیفه ای که برای درک یک اثر به آنها واگذار شده است به سه گروه عمده تقسیم می شوند. این دسته بندی در مثلث معروفی خلاصه می شود که به مثلث SIS معروف است. این سه حرف مخفف کلمات Spatial ، Intesisty ، Spectral می باشند. هر گوشه ی این مثلث نوع پارامتری را نشان می دهد که باید اندازه گیری شود و اطلاعات اندازه گیری شده را ارسال نماید.

    از آنجاییکه سنسورهای نوری در زمره ی حس کننده های راه دور بشمار میروند - یعنی تماس فیزیکی با کمیت مورد اندازه گیری ندارند- لذا دسته بندی کاملتری برای آنها می توان ایجاد نمود که بطور خلاصه در شکل زیر ارائه شده است.

        با جلوتر رفتن در شاخه های درختواره ی انواع سنسورها، به دو شاخه ی اصلی Image Plane و Object Plane در سنسورهای نوری می رسیم. بسته به اینکه کجا پرتوهای نور همگرا میشوند در شکل زیر این دو شاخه ی اصلی مورد بررسی قرار گرفته اند:

      دسته بندی دیگری نیز در درختواره ی سنسورهای راه دور برای سنسورهای نوری وجود دارد. این دسته بندی به اسکن کردن یا عدم اسکن کمیت یا شیء مورد نظر بستگی دارد.  از آنجاییکه عملکرد سنسورهای نوری به طول موج نور دریافتی بستگی داشته و نیاز به دانش اولیه در فیزیک نور دارد، علاقمندان می باید قبل شروع به کار در این زمینه از سنسورها به مطالعه ی کافی در زمینه ی فیزیک نور بپردازند.

     برای آندسته از علاقمندانی که قصد فراگیری مطالب بیشتری در زمینه سنسورهای نوری دارند فایلی به زبان انگلیسی تهیه شده است که می توانند آنرا از اینجا دانلود کنند. همچنین فایلی با حجم حدوداً500 کیلوبایت و با فرمت pdf در خصوص کالیبره کردن یک سنسور نوری نیز از اینجا قابل دانلود کردن است.

    منتظر نظرات سازنده شما هستم و امیدوارم در پاسخ به آندسته از علاقمندان به سنسورهای گاز بتوانم مطالب را بصورت پیوسته هم در این وبلاگ و هم به زبان انگلیسی در وبلاگ microsensors ارائه دهم.

 

 

 

پایداری در سنسورهای گاز

 

به نام خدا

          دوستان از طریق ایمیل مطلبی را در زمینه ی Stability در سنسورهای گاز خواسته بودند، مطلب کوتاهی در مورد پایداری سنسورهای گاز به زبان انگلیسی آماده شده است که علاقمندان می توانند با مراجعه به اینجا آنرا مطالعه نمایند.

         باید توجه داشت که یکی از مهمترین عوامل پایداری سنسورهای گاز به زیرلایه ی سنسور بستگی دارد. تکنولوژیهای جدید باعث بهتر شدن کیفیت این زیرلایه ها گردیده است. بطور خاص یک زیر لایه (همان Substarte) باید دارای هدایت الکتریکی بسیار کم، پایداری شیمیایی و حرارتی قابل توجه (می دانیم که دمای سطح زیرلایه گاها به 800 درجه سانتیگراد نیز بالغ می شود)، و خاصیت چسبندگی مناسب باشد. در همین حال زیر لایه چه در زمان فابریکیت Fabricate شدن و چه در زمان کار نباید واکنش ناخواسته ای با لایه ی اکسید فلز حساس به گاز از خود نشان دهد. در سنسورهای گاز با تکنولوژی فیلم ضخیم بهترین زیرلایه آلومینا ست. برای افزایش پایداری سنسور و جلوگیری از فعل و انفعالهای مذکور بهترین روش استفاده از یک سد انتشار Diffusion Barrier است.  این سد انتشار شامل یک لایه نازک اکسید سیلیکون پایدار در دمای بالاست که بصورت پاشش Sputter روی زیرلایه به ضخامت یک میکرومتر رسوب Deposition داده می شود.

دانلود چند مقاله

 

به نام خدا

    نیاز روزافزون به سیستمهای جدید، الگوریتمهایی همسو و منطبق با کارکرد سیستم و دستگاه را می طلبد که بتواند پاسخگوی نیازهای مشتری انتهای خط باشد (End User ). الگوریتمها بر حسب نوع و وظیفه ای که برای تطابق بین اطلاعات موجود و سخت افزار سیستم و یافتن پاسخ مناسب به عهده دارند، طبقه بندی می شوند. برای علاقمندانی که می خواهند دانش خود را در این زمینه افزایش دهند، فایلی تحت عنوان "مقدمه ای بر الگوریتمها" البته به زبان انگلیسی و با فرمت pdf تهیه شده است که می توانند آنرا از اینجا دانلود کنند. در صورت بروز هر گونه مشکل در دانلود لطفا در بخش نظرات آنرا مطرح کنید.

   همچنین دوستانی که تنها بدنبال الگوهای الگوریتم انطباقی - مانند آنچه در سنسورهای اثر انگشت  دیده می شود - هستند می توانند فایلی تحت عنوان:    Analysis of Fundamental Exact and Inexact Pattern Matching Algorithms  را از اینجا دانلود کنند. منتظر نظرات سازنده ی شما در این خصوص هستم.

    یک مقاله بسیار جالب و جدید در مورد سنسورهای اثر انگشت نیز در شماره ی این ماه سنسور ژورنال IEEE (شماره 7 جلد 7 سال 2007 ) به نام  A Full Fingerprint Verification System for a Single-Line Sweep Sensor آمده است که در ادامه نگاهی مختصربه محتوای آن خواهیم انداخت. دوستانی که به IEEE دسترسی دارند این مقاله را از اینجا دانلود کنند. حجم مقاله در حدود 5.2 مگابایت است. کسانی هم که به IEEE دسترسی ندارند از طریق این لینک فایل pdf مربوطه را دانلود کنند. این مقاله یک سیستم کامل شناسایی اثر انگشت از سنسور گرفته تا الگوریتم انطباق را بررسی میکند. سنسور از یک المان حساس تک خطی بر روی سلیکون ساخته شده است و لذا نیازبه فضای کمتری نسبت به انواع دیگر حسگرهای اثر انگشت که معمولا سطحی به ابعاد  2cm² را اشغال می کنند، دارد.

    همچنین الگوریتم انطباقی ارائه شده برای تشخیص اثر انگشت بر مبنای image processing اما بصورت توسعه یافته است. سنسور با تکنولوژی FSBM که یکی از زیر شاخه های ساخت  MEMS و به مفهوم Front Side Bulk Micromachining است ساخته شده است. خواندن این مقاله را به علاقمندان این شاخه از سنسورها توصیه میکنم و منتظر نظرات سازنده ی شما هستم.

   

دیاگرام مراحل ساخت یک سنسور گاز Thick-Film

 

به نام خدا

       در ادامه ی مطالب سنسورهای گاز بلوک دیاگرام مراحل ساخت یک سنسور گاز می تواند جالب توجه باشد. این دیاگرام را عینا از فصل نهم، صفحه ی 438 جلد دوم از سری کتابهای هشت جلدیSensors: A Comprehensive Survey ترجمه و ترسیم کرده ام. منبعی که کتاب فوق در ارائه این شکل ذکر کرده ، یک پایان نامه ی فوق لیسانس از دانشگاه ویتن در آلمان غربی (1990) است. در صورتیکه شکل خوانا نیست آنرا Save کنید تا با کیفیت بهتری دیاگرام را مشاهده نمایید.