بنام خدا
حسگر گاز اسید هیدروکلرید بر پایه تکنولوژی فیلم ضخیم – مثالی از کاربرد مکانیزم حجم در سنسورهای گاز
زندگی و سلامت نوع بشر به کیفیت محیط اطراف او بستگی دارد. یکی از عوامل تخریب محیط اطراف، پراکندگی گازهای مضراست و بنابراین شناسایی و منیتورینگ این گازها نقش بسیارمهمی درزندگی او دارد . مقررات سختگیرانه ی زیادی دربسیاری از کشورها برای کنترل و کاهش سطح آلودگی گازهای منتشر شده وضع گردیده است. گاز ناشی از اسید هیدروکلریدریک HCl، بهمراه گازهایی نظیر دی و تری اکسید گوگرد SO2, SO3 منواکسید کربن CO، منو و دی اکسید نیتروژن NO, NO2 درزمره گازهای با خطر آلودگی جدی محسوب می شوند. این گازها از آنرو بسیار خطرناک هستند که به آسانی در آب حل میشوند و بصورت بارانهای اسیدی در آمده و بصورت یک اسید خورنده قوی در می آیند.
در میان این گازها، گاز HCl بطور عمده از سوختن سوختهایی که شامل کلراین هستند مانند ذغال و زباله های خاکسترهای شامل پلاستیک حاصل می شود. در مراکز با سوخت ذغال میزان گاز HCl مشاهده شده بین 14-220ppm گزارش شده است در حالیکه این میزان درکوره هایی که با زباله کار می کنند بین 215-1250ppm گزارش شده است (1).
در این راستا و در جهت منیتور کردن این نوع گاز، روشهایی نظیر اسپکتروسکوپی IR بدلیل نیاز به نمونه برداری هزینه بر و زمان بر هستند ، بعلاوه این روشها برای مونیتورینگ آنلاین کاربری ندارند. ازطرف دیگر روشهایی نظیر واکنش آپتوشیمی Photochemical و نوری اگرچه توسعه یافته و از حساسیت و دقت بالایی برخوردارند، اما هیچیک از این روشها در دماهای بالا کارآیی ندارند (2-6).
پلوکس و گوندران Pelloux and Gondran از لابراتور الکتروشیمی ماتریاکس در سنت مارتین فرانسه (7) سنسور گاز HCl یی را با کمک یون کلراین (SrCl2–KCl or PbCl2–KCl) و الکترولیت های Pb-PbCl2 و Ag-AgCl بعنوان مرجع توسعه دادند. در این سنسور، گاز HCl بطور غیرمستقیم با مونیتورینگ گاز کلرCl2 که با اکسیداسیون گاز HCl در هوا براساس معادله Deacon شکل داده شده بود ، اندازه گیری می شود.
انواع جدیدتر سنسورهای گاز HCl بر مبنای سنسورهای الکتروشیمیایی توسعه یافته اند. این سنسورها با ترکیب دو الکترولیت، پوشش استرونتیوم Strontium که با ده درصد اکسید نیودیمیوم (یک یون هادی H+) دوپینگ داده شده است و کلرید استرونتیوم (یون هادی Cl -)، ساخته می شوند (8-10). بر خلاف انواع سلولهای غلظتی Concentration Cell این نوع سنسوربه دلیل ساختار کاملا بدیع و دو الکترولیتی اش، به تغییرات غلظت گاز HCl یی که دریک محیط گازی در معرض الکترودها قرار گرفته است پاسخ می دهد. فایده ی این روش آن است که این ساختار نیازی به محفظه های جداگانه برای الکترودهای مرجع و کاری نداشته و هردوی الکترودها می توانند در معرض گاز هدف قرار گرفته و طراحی و ساختارساده ایی را موجب شوند (11 و 12).
بطورکلی ساختار یک سلول را در این سنسور می توان بصورت زیر توصیف کرد:
(−)HCl(gas), Pt|SrCeO3(10% Nd2O3)|SrCl2|Pt, HCl(gas)(+)
به این ترتیب واکنش زیرپیشنهاد میگردد:
در آنود، نیودیمیوم دوپینگ داده شده روی غشای الکترولیت SrCeO3 می تواند با HCl در فرم گازی واکنش صورت دهد تا SrCl2 و همینطور پروتونهای H+ را (در یک واکنش اکسیداسیون مجازی) بوجود آورد:
anode (SrO)cerate+2HCl(gas) <--> SrCl2+ (1/2)O2 + 2H+ +2e-
در کاتد، SrCl2 می تواند با HCl در فاز گازی واکنش انجام داده تا لایه ای از SrHCl در راستای پایدارکردن اکتیویتی کلراین را در این سطح فرم دهد :
cathode HCl(g)+SrCl2+2e− <--> SrHCl+2Cl−
SrHCl ترکیبی است پایدار با نقطه ی ذوب 1113 درجه ی کلوین و بسادگی با واکنش شیمیایی تشکیل میشود. همانطوریکه در دیاگرام فازی SrCl2-SrH2 دیده می شود، SrCl2 و SrCHl تا دمای ذوب 953 درجه کلوین باهم درموازنه شرکت دارند (13و14). درسطح بین دوالکترولیت، بخشی از HCl در فاز گازی توسط واکنش مجازی زیر ممکن است ایجاد شود:
2H++2Cl−=2HCl(g)
بنابراین کل واکنش مجازی سلول را میتوان بصورت زیر نوشت:
SrOcerate + HClgas = SrHCl + ½O2
لذا:
Delta(G) = Delta(G0) + 2.303RT log((PO2)^1/2/PHCl . aSrO)
که درآن Delta(G) – تغییرات انرژی گیبس- انرژی آزاد برای واکنش سلول مجازی و Delta(G0) انرژی آزاد استاندارد برای همان واکنش است.
در نتیجه اختلاف پتانسیل EMF دو سر الکترود را میتوان بشکل زیر نوشت:
یا:
emf=A+B log PHCl
که در آن:
در این معادلات Z تعداد الکترونهای انتقال داده شده، R ثابت عمومی گاز، F ثابت فاراده، T دمای مطلق (کلوین)، aSrO اکتیویتی SrO در نیودیمیوم دوپینگ داده شده الکترولیت SrCeO3 ، و PO2 فشارجزیی اکسیژن در فاز گازی است.
مقدار EMF مستقل از اندازه ی سنسور است و هر دو الکترود در معرض گاز هدف بطور همزمان قرار می گیرند، بدین ترتیب این امکان فراهم می شود تا این سنسور بصورت یک سنسور سطحی Planner طراحی و مینیاتوریزه شود. زیر لایه ی یک سنسور سطحی همانطوریکه در سایر سنسورهای فیلم ضخیم گاز مشاهده میشود می تواند تا رسیدن به دمای کاری مناسب گرم شود. تکنولوژی فیلم ضخیم می تواند در مورد این نوع از سنسورها نیز بکار رفته و الکترولیتهایی با ضخامت بین 10 تا 30 میکرومتر را ایجاد کرد. سنسورهایی که با این روش برای مونیتورینگ گاز HCl بکار می روند احتمالا زمان پاسخ سریعتری خواهند داشت و ضمنا این شانس همواره وجود دارد که این سنسورها را با سایر قطعات میکروالکترونیکی روی یک زیرلایه بصورت مدار مجتمع درآورد. حتی می توان با تکنولوژیهای جدید تمام مدار دیتا لاگر Data Logger و دیتا اکوزیشن Data Acquisition را بهمراه سنسور در یک چیپ جای داد.
لایه های مختلف سنسور گاز هیدروکلراید – هیتر در سطح پایینی زیرلایه قرار داده شده است
در نگارش این مقاله از بخشهایی از مقاله زیر استفاده شده است:
Ling Wang and R. V. Kumar, Thick film miniaturized HCl gas sensor, Sens. Actuators B 98 (2004): 196-203.
مراجع:
1. P.T. Williams, A review of pollution from waste incineration, J. IWEM (1990).
2. K. Nakagawa, T. Kitagawa and Y. Sadaoka, An optochemical HCl gas sensor using 5,10,15,20-tetrakis(3,5-di-tert-butyl-1,4-hydroxyphenyl)porphin-ethylcellulose composite films. Sens. Actuators B 52 (1998), pp. 10–14.
3. K. Tanaka, C. Tagliatesta, T. Boschi and Y. Sadaoka, Optochemical HCl gas detection based on tetraphenylporphin dispersed in ethylcellulose. J. Mater. Chem. 6 (1996), pp. 953–956.
4. K. Tanaka, C. Tagliatesta, T. Boschi and Y. Sadaoka, Tetraphenylporphin-polymer composite films for optochemical HCl gas sensors: effects of polymer matrix on sensing characteristics. Electrochemistry 67 (1999), pp. 431–437.
5. K. Nakagawa, K. Tanaka, T. Kitagawa and Y. Sadaoka, Optochemical HCl gas sensors using substituted tetraphenylporphin-polymer composite films. J. Mater. Chem. 8 (1998), pp. 1199–1204.
6. M.G. Baron, R. Narayanaswamy and S.C. Trorpe, Hydrophobic membrane sensors for the optical determination of hydrogenchloride gas. Sens. Actuators B 34 (1996), pp. 511–515.
7. A. Pelloux and C. Gondran, Solid state electrochemical sensors for chlorine and hydrogen chloride gas trace analysis. Sens. Actuators B 59 (1999), pp. 83–88.
8. N.N. Ahmed, G.M. Kale, R.V. Kumar and D.J. Fray, Development and testing of HCl gas sensor for flue gas monitoring. Solid state Ion. 86-88 (1996), pp. 1013–1016.
9. H. Iwahara, in: P. Colomban (Ed.), Chemistry of Solid State. Part 2. Proton Conductors, Cambridge University Press, 1992, p. 122.
10. R.V. Kumar and D.J. Fray, Solid state hydrogen sensors based on SrCl2 electrolyte. Solid State Ion. 28–30 (1988), pp. 1688–1692.
11. D.J. Fray, R.V. Kumar, G.M. Kale, Electrochemical gas sensors, UK Patent Application, GB 2306656 A (1997).
12. M.A. Hassen, A.G. Clark, M.A. Swetnam, R.V. Kumar and D.J. Fray, High temperature humidity monitoring using doped strontium cerate sensors. Sens. Actuators B 69 (2000), pp. 138–143.
13. P. Ehrlich, B. Alt and L. Gentsch, Alkali earth metal hydrochloride. Z. Anorg. Allg. Chem. 283 (1956), pp. 65–81.
14. H.P. Beck and A. Limmer, Refinement of crystal-structures of CaHCl, SrHCl, BaHCl, BaHBr and BaHI. Z. Anorg. Allg. Chem. 502 (1983), pp. 185–190.
