سنسورهای گاز

در محیط زندگی ما ممکن است آلاینده ها و گازهای بسیاری وجود داشته باشد که در نهایت منجرب تخریب محیط زیست، ایجاد بارانهای اسیدی، اثرات گلخانه ای، تخریب لایه ازن و مسمومیت های خطرناک در افراد شود. برای تشخیص این گازها ومواد شیمیایی به ابزاری نیازمندیم که بتوانیم آن ها را تشخیص دهیم که با ظهور وتکامل تکنولوژی میکروالکترونیک در دهه 1970 سنسورهای جدید مورد توجه قرار گرفتند و سنسورهای مختلفی با قیمت ارزان و کاربرد آسان تولید شد. این سنسورهای با توجه به ویژگی ها و مشخصه های منحصر به فرد خود، برای استفاده صحیح و بدون خطا نیازمند طراحی یک مدار ساده و دقیق با رعایت کامل نکات ایمنی برای مراقبت از سنسور و حفظ آن است، که در این مقاله به آن می پردازیم.

کاربرد های سنسور گاز

آشکارسازی سنسورها عموما رابط بین سیستم كنترل الكتریكی از یك طرف و محیط، عملیات رشته كارها یا ماشین از طرف دیگر هستند. سنسوراطلاعات راجع به محیط از قبیل درجه حرارت، فشار، نیرو و غیره را تبدیل به یك سیگنال الكتریكی می نماید. ازدیاد سنسورها و مدارات الكتریكی تغییر شكل دهنده سیگنال، فرصت های مهیجی برای تعداد زیادی از كاربردها پدید آورد. بنابراین برهه زمانی جدیدی در زمینه سنسور در دهه ۱۹۸۰ شروع شد. اگر چه سنسورها به همراه علم میكروالكترونیك پردازشگر اطلاعات یك گام مهم رو به جلو را عرضه می دارد لیكن این تنها اولین قدم است. در این مرحله سنسورها از تعدادی از عناصر میكروالكترونیك موجود برای مثال به شكل پردازشگرها، حافظه ها، مبدل های آنالوگ به دیجیتال یا تقویت كننده ها، برای آماده نمودن سیگنال خروجی استفاده  می كنند. دومین گام نیز اتصال سنسور به بخش مكانیكی می باشد.

اطلاعات حاصل شده توسط سنسور پس از عبور از یك طبقه پردازش سیگنال الكتریكی وارد بخش كنترل كننده می شود. حال اگر از بحث قبل بگذریم وارد محیطی كه در آن زندگی می كنیم بشویم، می بینیم كه در این محیط گازها و آلایندهای بسیاری وجود دارند كه منبع تولید هر كدام از این گازها وآلاینده ها، صنایع، منازل و اتومبیل ها می باشند كه نتیجه آن برای محیط زیست، تولید باران های اسیدی، اثرات گلخانه های، تخریب لایه ازون و... می باشد.روزنامه ایران مورخ ۱۳ مردادماه ۱۳۸۳ آماری در سه ماه اول سال جاری ارائه كرده بود كه گاز منواكسید كربن جان ۱۴۰ تن را گرفت.به گزارش خبرنگار حوادث ایسنا، آمار فوت شدگان سه ماه اول سال جاری نسبت به سال گذشته در حوادث ۲۳ در صد رشد داشته است.

به گزارش روابط عمومی سازمان پزشكی قانونی كشور مسمومیت منواكسید كربن ۸۷۰ در صد است. ۹۹ تن از موارد مسمومیت های منواكسید كربن در مردان رخ داده كه بالغ بر ۷ فلوشیپ سم شناسی بالینی بیمارستان لقمان الدوله تهران، با اشاره به موارد مزمنی كه افراد مجاورت گا ز قرارمی گیرند گفت: سردرد، تهوع و دردهای عضلانی علائمی هستند كه به كرات در مسمومیت مزمن این گاز بروز می كنند. اما چون شبیه بسیاری از بیماری های دیگر است، افراد متوجه مسمومیت خود با گاز نمی شوند و یا نمونه هایی دیگر از این مسمومیت ها كه كارگران پالایشگاه ها، یخچال سازها و یا در بیمارستان ها و.....كه نه تنها از منوكسید كربن بلكه از گازهای دیگر نیز ناشی می شود وجود دارد كه بیشتر افراد متوجه مسمومیت خود از طریق استنشاق گاز نمی شوند. برای تشخیص و آشكارسازی این گازها و مواد شیمیایی به ابزاری نیازمندیم كه بتوان آنها را تشخیص داده و در صورت امكان بتوان با آن ها مقابله كرد. یا حتی تشخیص نوع گاز می تواند كمك بزرگی در مداوا فردی كه مسموم شده بكند و همچنین تشخیص آلاینده ها جهت محافظت محیط زیست بسیار ضروری و مهم است. تكنیك های تشخیص گاز كه تا سال ۱۹۹۵ از آن ها استفاده می شد تكنیك های معمولی بوده اند. یك مشكل اساسی این تكنیك ها پاسخ زمانی بالا برای تشخیص گازها بود. در نتیجه برای رفع این مشكل نیاز به ابزاری با پاسخ زمانی پایین حس می شد.

علاوه بر آن به ویژگی هایی از قبیل حساسیت بالا و دوام زیاد نیاز می شد. پژوهشگران در اولین دهه ۱۹۵۰ دریافتند كه تغییر در تركیب گازهای اطراف نیمه هادی می تواند در هدایت الكتریكی آن ها تاثیر بگذارد در آن زمان این اثر را در مورد ژرمانیوم تك كریستال بررسی كردند و آن را برای گازهای مختلف اندازه گیری كردند و دریافتند كه ژرمانیوم حساسیت كمتری نسبت به گازهای محیط دارد. این بحث تحقیقات وسیعی را طلب می كرد و به دنبال آن نیمه هادی های مختلف برای آشكارسازی گاز پیشنهاد شد. به دلیل مشكل اندازه گیری حساسیت در سنسورهای ساخته شده با این نیمه هادی ها دانشمندان به این نتیجه رسیدند كه دمای كار حسگر را بالا برده و در دمایی بالاتر از دمای اتاق، شرایط كار را برای حسگر فراهم آورند. با بالا بردن دمای سطح حسگرهای گازی، حساسیت الكتریكی آن ها نسبت به گازهای مختلف افزایش پیدا كرد. و به دنبال آن باز مشكلات دیگری پیدا شد كه كاركرد آنها را مختل نمود. از جمله مهمترین این مشكلات، اكسید شدن سطح نیمه هادی بود. و با بروز این مشكلات نیمه هاد ی های دیگری شناسایی شدند كه نیمه هادی های اكسیدی در اولویت قرار گرفتند.

 

 

آزمایش میزان الكل در تنفس، كنترل فرآیند تخمیر، كنترل تهویه برای منازل و صنایع، H2so4، H2s، So كشاورزی و  مرغداری، آشكارسازی نشتی آمونیاك در یخچال و آشكارسازی گازهای خانگی (متان، بوتان وپروپان) به كار می رود. هر كدام از كاربرد های فوق، ویژگی ها، خصوصیات و تكنولوژی منحصر به فردی را برای سنسور طلب خواهد كرد. فناوری هایی كه برای ساخت سنسورهای نیمه هادی به كار می رود عبارتند از فناوری فیلم نازك وضخیم بیولوژیك، فیبر نوری، لیز نوری، میكروویو و... فناوری های از قبیل پلیمر و آلیاژهای، (Sinter) سینتر، ( Foil)، فویل فلزی با مواد پیزوالكتریك نیز نقش مهمی را در تولید سنسور ها بازی می كنند. ولی اساس و پایه ساخت تمام سنسورها همان فناوری میكروالكترونیك می باشد. زمینه های اصلی كاربرد سنسورهای نیمه هادی همگی تهیه گاز نصب شده به طور خانگی، سیستمهای اخطار برای تشخیص گازها در پالایشگاه ها و صنایع دیگر، برای آزمایش میزان الكل در تنفس و.... می باشد. سنسورهای نیمه هادی كه تغییرات در سطح مقاومت را شناسایی می كنند.

همچنین برای اندازه گیری رطوبت نسبی نیز بكار می رود. شناخته شده ترین سنسورهای گازی سنسورهای گازی تاگوچی TGS است كه برپایه SnO می باشد و توسط  شركت فیگارو ٢ ژاپن تولید می شود. شركت فیگارو در تولید سنسورهای گاز موفق بوده و انواع مختلفی از سنسورهای گاز تولید كرده (با كد از هم متمایز شده اند) كه دارای كاربرد ها وخصوصیات گوناگونی هستند.

فناوری به كاربرده شده در سنسورهای TGS فناوری فیلم ضخیم نیمه هادی های اكسید فلزی می باشد. این سنسورها با قیمت كم،عمر طولانی وحساسیت خوب در صورتیكه در یك مدار الكتریكی مناسب بایاس شود توسط شركت فیگارو عرضه می شود.

ماده حسگر سنسورهای گازTGS  اكسید فلز، معمولا SnO2. می باشد وقتی كه اكسید فلز مانند  SnO2 در دمای بالای معین هوا گرم شود، اكسیژن روی سطح كریستال، با یك بار منفی به صورت سطحی جذب می شود. سپس الكترون های دهنده در سطح كریستال با اكسیژن جذب شده سطحی م بادله می شوند، كه منجرب به از دست رفتن بارهای مثبت در فضای لایه بار می شود. بنابرین پتانسیل سطحی برای فراهم كردن یك سد پتانسیل در خلاف شارش الكترون ها ایجاد می شود درون سنسور، در قسمت اتصال مرز ذرات میكروكریستال های SnO2 یك جریان الكتریكی شارش می یابد. در مرزهای ذرات، اكسیژن جذب شده سطحی، یك سد پتانسیلی برای جلوگیری از حركت آزادانه حامل ها بوجود می آورد. مقاومت الكتریكی سنسور نیز با این سد پتانسیل نسبت دارد. در صورت وجود یك گاز احیاءكننده چگالی سطحی اكسیژن باردارشده با بار منفی كاهش می یابد كه منجر به كاهش ارتفاع سد پتانسیل در مرز ذرات می شود.