نحوه عملکرد سنسور های گازسنج

با سلام و احترام

خدمتتون عرض کنم که دیروز تو ستاد فرماندهی نشسته بودم و 125 زنگ خورد

یه خانم پشت خط سلام  کردن و عذرخواهی از اینکه مزاحم شدند

ایشون یه سری اطلاعات در رابطه با نحوه عملکرد سنسور ها می خواستن

من یه خورده ایشون رو راهنمایی کردم

و از ایشون خواستم که اگه اطلاعات کاملتری  در رابطه با سنسورها می خوان امروز می تونن اینجا ینی تو دفترچه خاطراتم بخونن

آدرس وبلاگم رو گرفتن و الانم که امروز دیروز

اطلاعات تکمیلی در رابطه با نحوه عملکرد سنسورها در ادامه مطلب. . .

هوا ترکیبی از گازهای متفاوت است که با توجه به محیط سنجش ممکن است شامل گازهایی نظیر ساکس (SOx – خانواده اکسید سولفور مانند SO، SO2 و ...)، ناکس (NOx – 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.

کالیبراسیون سنسورهای گاز

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.

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

منبع:برق قدرت:الکترونیک/ مخابرات :it