Technika sensorowa Czujniki gazów dr inż. Wojciech Maziarz, prof. dr hab. T. Pisarkiewicz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel. 12 617 30 39 Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1
Sensory gazów 1. Wstęp 2. Produkcja rynkowa mikrosensorów gazów 3. Rozwój technologii rezystancyjnych sensorów gazów 4. Wpływ technologii mikromechanicznej 5. Nierezystancyjne sensory gazów 6. Sensory badane w Katedrze Elektroniki AGH 7. Moduły pomiarowe 8. Podsumowanie Polecane materiały: Multimedialny przewodnik po sensorach gazu http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/ 2
Detekcja gazów Detekcja gazów jest związana z: zagadnieniami bezpieczeństwa (gazy palne lub toksyczne) kontrolą jakości powietrza (pomieszczenia mieszkalne, pojazdy) sterowaniem procesowym w przemyśle analityką laboratoryjną kontrolą spalania w silnikach pojazdów Jedynie w praktyce przemysłowej oraz analityce laboratoryjnej stosuje się kosztowne analizatory gazów. W pozostałych przypadkach wymagane są tanie, małych wymiarów i łatwe w obsłudze sensory gazów. 3
Produkcja rynkowa Rekordowa sprzedaż: sonda Lambda 30 mln szt. w 2004 r. rezystancyjne sensory gazów 10 mln szt. w 2004 r. Czołowe firmy produkujące rezystancyjne sensory gazów: FIGARO (Figaro Eng. Inc. Osaka, Japan) NEW COSMOS (New Cosmos Electric Co., Ltd, Osaka, Japan) FIS (FIS Inc., Osaka, Japan) NEMOTO (Nemoto & Co., Ltd, Tokyo, Japan) CAPTEUR (Capteur, Abington, UK) MICROSENS (MICROSENS S.A., Neuchâtel, Switzerland) PEWATRON (PEWATRON AG Zürich, Switzerland) IL METRONIC (IL Metronik Sensortechnik GmbH, Ilmenau, Germany) Siemens Matsushita (Siemens AG, München, Germany) UST (Umwelt Sensor Technik, Geraberg, Germany) American Sensor Inc. SNIFF (Toronto, Canada) 4
Produkcja rynkowa Przegląd sensorów gazów produkcji Figaro Eng. Inc. 5
Produkcja rynkowa sondy lambda 6
Rozwój tematyki sensorów gazów Pierwsze wzmianki: gazoczułe właściwości Ge: W.H.Brattain, J.Bardeen, Bell Syst. Tech. J. (1952) Gazoczułe wł. tlenków metali: G. Heiland, Z. Physik (1954) A. Bielański, J. Dereń, J. Haber, Nature (1957) T. Seiyama et al., Anal. Chem. (1962) N. Taguchi sensory gazów jako produkt komercyjny (sensory TGS), produkcja rozpoczęta z końcem 1968 r. Obecnie dominuje technologia grubowarstwowa z wykorzystaniem podłoży ceramicznych. Wprowadzana jest technologia podłoży mikromechanicznych i cienkich warstw gazoczułych. Najczęściej używane tlenkowe warstwy gazoczułe: SnO 2, ZnO, TiO 2, WO 3, In 2 O 3. Bada się też CuO, MnO 2 i inne. 7
Najważniejsze wymagania stawiane czujnikom gazu odpowiednia czułość i selektywność mała czułość skrośna krótki czas odpowiedzi małe wymiary niski pobór mocy możliwość pracy w trudnych warunkach (środowisko agresywne) stabilność długoczasowa niezależność od warunków otoczenia (np. zmiana RH) 8
Parametry czujników gazu - czułość Czułość (ang. sensitivity) nachylenie krzywej odpowiedzi sensora, wyrażone jako wartość sygnału przypadająca na jednostkę stężenia (koncentracji) Stężenie gazów (ppm) 9
Rs(k ) Parametry czujników gazu czas odpowiedzi Czas odpowiedzi (ang. response time) czas mierzony od momentu zmiany koncentracji gazu aż do chwili, gdy wyjściowy sygnał sensora osiągnie (najczęściej) 90% wartości końcowej 10
Parametry czujników gazu selektywność Selektywność zdolność czujnika do reagowania na zmiany oznaczanego gazu lub danej grupy gazów. Przykłady: 1. Alkomat powinien wykrywać wyłącznie obecność alkoholu w wydychanym powietrzu, a nie reagować np. na VOCs (lotne związki organiczne) zawarte zawsze w oddechu ani na parę wodną. 2. Czujnik metanu używany w pomieszczeniach powinien reagować na zmiany metanu ORAZ związków z szeregu homologicznego (C n H 2n+2 ). Nie powinien natomiast reagować na obecność par alkoholu lub środków zapachowych. Poprawa selektywności: zastosowanie odpowiednich domieszek modyfikujących zastosowanie filtrów katalitycznych zapewnienie jednorodnego rozkładu temperatury w obszarze warstwy aktywnej 11
Rs(k ) Parametry czujników gazu stabilność Stabilność długoczasowa niezmienność parametrów czujnika w czasie; zazwyczaj wymaga się okresu co najmniej 6 miesięcy; w związku ze zmianami R(t) występuje konieczność kalibracji. Czas (dni) 12
Parametry czujników gazu pozostałe Bezpieczeństwo użytkowania niebezpieczeństwa związane z pracą w podwyższonej temp.; szczególnie ważne w środowisku gazów łatwopalnych i wybuchowych (np. w kopalniach) Opłacalność ekonomiczna mają być tanie, łatwe w łączeniu z elektroniką 13
Model półprzewodnikowego czujnika gazu Elementy czujnika: - podłoże - warstwa gazoczuła - grzejnik - kontakty/doprowadzenia Schematyczna reprezentacja czujnika z cienką warstwą gazoczułą SnO 2 U. Weimar, W.Goepel, A.C. measurements on tin oxide sensors to improve selectivities and sensitivities, Sens. Actuators B 26 27 (1995) 13 18 14
Mechanizm działania sensora rezystancyjnego Reakcja jonosorpcji z wychwytem elektronu (a): 1 2 k1, k 1 S e O2 O S Reakcja redukcji jonu tlenu (b): k O R 2 RO e S (a) (b) Konduktancja: WH 1 x 0 G L H (c) (d) qv q N G G exp( ) G exp( ) N k T 2 2 S S 0 0 kbt 2 0 D B (c) (d) Bariera potencjału dla półprzewodnika o budowie ziarnistej podczas jego oddziaływania z atmosferą tlenową (a) oraz w obecności gazu redukującego (b). Zmienną szerokość obszaru zubożonego określa tzw. długość ekranowania Debye a L 15 D (odległość, na której wysokość bariery spada e razy)
Rozwój technologii sensorów gazów, monokryształy Schemat budowy czujnika monokrystalicznego: 1 podłoże alundowe, 2 elektrody platynowe, 3 pasta przewodząca, 4 monokryształ ZnO, 5 grzejnik (sitodruk), 6 doprowadzenia 16
Rozwój technologii sensorów gazów, spieki Sensor TGS 203 do detekcji CO R H = 1.9 Ω V HH = 0.8 V ± 3% przez 60 ± 1 s V HL = 0.25V ± 3% przez 90 ± 1 s V C = 5 V P H = 2 x 370 mw Sproszkowany materiał półprzewodnikowy z odpowiednimi domieszkami katalitycznymi oraz lepiszcze 17
Rozwój technologii sensorów gazów Mikrosensor FIS z serii SB: (a) konstrukcja, (b) podstawowy układ pomiarowy. Końcówka 1 jest wspólna dla napięcia grzejnika V H i napięcia odczytowego V C. Dzięki miniaturyzacji moc wydzielana w elemencie nie przekracza 130 mw. Sensor przeznaczony jest do detekcji metanu, propanu i innych gazów palnych oraz toksycznych 18
Rozwój technologii sensorów gazów Czujnik Figaro serii TGS 800 Warstwa SnO 2 o grubości ok. 50 μm Rurka alundowa (średnica wew. rzędu 1 mm, długość ok. 4,2 mm) Doprowadzenia drutowe Pt (Φ = 0,08 mm) Platynowa spirala grzejna (30 Ω) Wymagana temperatura pracy ok. 300 o C Moc grzejnika ok. 835 mw 19
Warstwy grube Sensor FIS serii SP z impulsową modulacją temperatury. Zaawansowana technologia grubowarstwowa, Kontakty Au, Grzejnik RuO lub Pt. Zużycie mocy 300 400 mw. FIS GAS SENSOR SP-11 for HYDROCARBONS GAS DETECTION, http://www.fisinc.co.jp/en/common/pdf/esp1100.pdf 20
Warstwy grube Sensor Figaro serii TGS 2400 do detekcji gazów toksycznych Konfiguracja jednostronna, Zużycie mocy 14 mw (wart. średnia) Sterowanie impulsowe, zasilanie V C =V H = 5V 21
Wpływ technologii mikromechanicznej Sensor tlenku węgla Motorola MGS 1100 zbudowany na membranie krzemowej a) Kształtka mikromechaniczna (a) oraz przekrój sensora w obudowie (b) b) Zakres czułości: 15 do 1000 ppm CO Mały wpływ RH Dobra stabilność długoczasowa Warstwa gazoczuła SnO 2 MGS1100 CO gas sensor datasheet: http://pdf.seekdatasheet.com/88889/44987.pdf Mikromechaniczna membrana krzemowa Aktywny filtr węglowy zwiększenie selektywności Nylonowa obudowa i stalowa siatka od góry 22
MGS1100 CO gas sensor datasheet: http://pdf.seekdatasheet.com/88889/44987.pdf Wpływ technologii mikromechanicznej Sensor tlenku węgla Motorola MGS 1100 sposób zasilania czujnika Cykliczna zmiana T: - stan H: usunięcie wody i zanieczyszczeń z powierzchni (minimalizacja wpływu RH) - stan L: detekcja CO 23
Zintegrowane podłoża mikromechaniczne (a) (b) Typy membran spotykane w czujnikach mikromechanicznych: zamknięta (a) oraz podwieszona typu pająk (b) 24
W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 Zintegrowane podłoża mikromechaniczne vs. ceramiczne 25
Mikrobelki Matryca mikrobelek z zakończeniami, z których jedno pokryte jest materiałem gazoczułym. Detekcja częstotliwościowa (zmiana masy) lub optyczna 26
Sensory pelistorowe Do pomiaru stężenia gazów palnych i wybuchowych oraz par cieczy palnych. Zastosowania: górnictwo, przemysł chemiczny, gazownictwo, petrochemia, telekomunikacja, gospodarka komunalna, budownictwo Pelistor z katalizatorem powierzchniowym (średnica rzędu 1 mm) Pelistor zamocowany w obudowie 27
Sensory pelistorowe Zasada działania: Oparta na zjawisku spalania katalitycznego (zakres pomiarowy do 100% DGW) lub zjawisku termokonduktometrii (zakres pomiarowy do 100% V/V). DGW Dolna Granica Wybuchowości (ang. LEL Low Explosive Level) P. katalityczne: element aktywny S A + element kompensacyjny S K z równolegle połączonym rezystorem kompensacyjnym R K. P. konduktometryczne: element referencyjny S R i element pomiarowy S P. Praca w układzie mostka Wheatstone'a. Pelistor w układzie mostka 28
Sensor mikrokatalityczny Membrana: LPCVD azotek krzemu (0.5 µm) wym. ~ 1 x 1 mm Grzejnik: Pt (0.3 µm), kilkadziesiąt Ohm, TWR > 3000 ppm/k Katalizator: metal szlachetny (Pd, Rh), grub. ~ mikrometrów wymiar ~ 1/3 wymiaru membrany Konsumpcja mocy < 100 mw dla T = 500 o C 29
Sensory termokonduktometryczne (katarometry) G T 2 d 0 M 0 λ G - przewodność cieplna gazu M 0 - masa cząsteczkowa d 0 - średnica cząsteczki Zdjęcie mikroskopowe SEM przedstawiające fragment kanału przepływowego i zawieszonego termorezystora Pt (powiększenie 212 razy) [J. Łysko ITE Warszawa] System μtas z kolumną separacyjną i detektorem TCD do analizy składu chemicznego mieszaniny gazowej 30
Sensory elektrochemiczne sonda lambda Uboczne produkty spalania paliwa w silniku: węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO) i niespalone resztki tlenu (O 2 ) Umiejscowienie sond w samochodowym układzie wydechowym Gazy opływają czujnik zainstalowany przed reaktorem (dopalaczem) katalitycznym TWC (ang. Three-Way Catalyst). Sygnał z czujnika przesyłany jest do urządzenia sterującego pracą silnika zwanego ECU (ang. Engine Control Unit). W samochodach z systemem wtryskowym urządzenie sterujące ECU utrzymuje taki stosunek ilości paliwa do ilości powietrza, aby stworzyć najkorzystniejsze warunki dla dopalenia i efektywnego obniżenia zawartości składników toksycznych w spalinach w ten sposób uzyskuje się optymalną mieszankę zwaną stechiometryczną. 31
Sensory elektrochemiczne sonda lambda Ilość niewykorzystanego tlenu w gazach wydechowych jest dobrym pośrednim wskaźnikiem czy mieszanina jest bogata czy uboga. Sonda lambda służy do oceny składu tej mieszaniny. Parametr określający skład mieszanki - współczynnik AFR (Air to Fuel Ratio): AFR > 14,7 mieszanka uboga Silnik pracuje ekonomiczniej, ale mamy wzrost emisji NOx. Mieszanka zbyt uboga może się nie zapalić powodując nawet zniszczenie przetwornika katalitycznego. W przypadku braku zapłonu wzrasta również ryzyko uszkodzenia świec. AFR < 14,7 mieszanka bogata - konieczna przy uruchamianiu zimnego silnika, a także przy dużym obciążeniu. - powoduje wzrost emisji CO i HC Optymalna mieszanina (stechiometryczna): AFR = 14,7. 32
Sensory elektrochemiczne sonda lambda Optymalny zakres współczynnika AFR - okno katalityczne (okno lambda). Zależność procentowej ilości produktów spalania paliwa w funkcji współczynnika lambda 33
Sensory elektrochemiczne sonda lambda Charakterystyki sond lambda dla świeżego (a) oraz zużytego katalizatora (b) ; linia ciągła czujnik tlenu tradycyjny, linia przerywana, czujnik inteligentny śledzący okno Sensors and Actuators B: Chemical, 73 (2001) 2 3, 42 151, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0925400500006833 34
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf Sensory elektrochemiczne Charakterystyki sondy lambda (HEGO) z uwzględnieniem temperatury 35
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf Sensory elektrochemiczne Palcowa tlenowa sonda lambda zainstalowana w rurze wydechowej Sonda posiada komorę elektrochemiczną (Nernsta) zawierającą elektrolit stały (ceramika YSZ), przewodzący powyżej 350 o C tylko jony O 2. 36
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf Sensory elektrochemiczne - czujnik o budowie planarnej Zalety w stosunku do sondy HEGO z grzejnikiem: - szybkie załączanie (ok. 10s) - mały rozmiar (59x4x1 mm 3 ) - redukcja poboru energii (5-7 W) - podwójna rurka chroniąca sensor przez uszk. term. i mech. Układ warstw planarnego czujnika tlenu LSF4 (niem. Lambda Sonde Flach) wytworzonego w technologii planarnej 37
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf Sensory elektrochemiczne - czujnik o budowie planarnej Planarny sensor lambda LSF firmy Bosch: a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny sensora podłączonego do rury wydechowej 38
Sensory amperometryczne z ograniczeniem prądu Sensor tlenu z ograniczeniem prądu; układ ze szczeliną ograniczającą Cienkowarstwowy sensor amperometryczny z limitowaniem prądu w wyniku reakcji chemicznych 39
Sensory amperometryczne z pompą tlenową - 1 Prąd pompowania Ip jest proporcjonalny do koncentracji tlenu wskaźnik odchylenia parametru AFR Przekrój poprzeczny szerokopasmowej sondy z pompą wraz z układem pomiarowym U ref napięcie odniesienia (450 mv odpowiadające λ=1), U H napięcie grzejnika, I P prąd pompowania http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf 40
Sensory amperometryczne z pompą tlenową - 2 Zasada działania: - gaz wzorcowy: czysty tlen gromadzony w drugiej komorze za pomocą amperometrycznej pompy jonów tlenu. Do pośredniego określenia składu mieszanki wykorzystuje się zjawisko dyfuzji wspomagane przyłożeniem tzw. napięcia pompującego. Wymaga to zastosowania elementu pomiarowego (przetwornika) łączącego zdolność oceny zarówno stężenia, jak i pompowania tlenu. Pomiędzy komorą Nernsta a pompą znajduje się cienka warstwa dyfuzyjna (10 15 m). Kontakt ze spalinami zapewnia otwór wlotowy. Spaliny dyfundują do obu komór aż do ustalenia stanu równowagi termodynamicznej. Układ elektroniczny zbiera sygnał z elektrod komory Nernsta i na tej podstawie podaje napięcie do komory pompującej jony tlenu. W zależności od tego napięcia tlen jest wpompowywany lub wypompowywany z komory. Poprzez regulację napięcia pompującego w obwodzie zamkniętej pętli utrzymywana jest stała wartość λ dla gazu w otworze, odpowiednio do napięcia Nernsta U N ~450 mv. Kierunkiem przepływu jonów steruje prąd Ip o odpowiedniej polaryzacji, dlatego czujnik ten zaliczany jest do amperometrycznych sond lambda. http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/pdf/r5.pdf 41
Sensory optyczne Absorpcja promieniowania oddziaływanie molekuł gazu z promieniowaniem E-M. Względne obniżenie natężenia prom. di~ stężenia gazu. Absorbowane jest promieniowanie o ściśle określonej dł. fali. LED1 CH 4 Detektor LED2 Układ dwudiodowy do pomiaru absorpcji w obszarze NIR Absorpcja metanu w głównym paśmie 3200 3400 nm 1 dioda LED1, 2 - dioda LED2 3 - detektor 42
Sensory optyczne z filtrem Fabry Perota Budowa czujnika CO 2 (Vaisala) Interferometr Fabry-Perota w postaci mikrosystemu (Infratec) Źródło światła szerokopasmowe (500nm do 5000 nm) Promieniowanie o konkretnej dł. fali jest uzyskiwane po przejściu przez przestrajalny filtr. Odległość między zwierciadłami rezonatora regulowana zmianą U (naprężenia membrany) 43
Sensory optyczne metoda CRDS Idea pomiaru stężenia gazu za pomocą metody CRDS (ang. Cavity Ring Down Spectroscopy) Wielokrotne odbicie impulsu lasera od zwierciadeł Jedno z nich częściowo przepuszcza sygnał. Sygnał gaśnie stopniowo w wyniku absorpcji i strat na odbiciach. Szybkość gaśnięcia jest zależna m.in. od stężenia gazu. 44
Sensory optyczne Budowa scalonego sensora fluorescencyjnego sprzężonego ze strukturą mikrokanalikową μtas (Micro-Total Analysis System) Widma absorpcji A i emisji fluorescencyjnej pochodnej pyrenu (DPB) w atmosferze azotu B oraz w atmosferze tlenu C 45
Sensory optyczne Schemat precyzyjnego czujnika z wykorzystaniem zintegrowanego interferometru Macha Zehndera. Jedno z ramion jest pokryte warstwą oddziałującą z otaczającą atmosferą gazową Rolę światłowodów pełnią falowody paskowe wytworzone w płytce podłożowej. 46
Sensory optyczne Sensor w oparciu o rezonans plazmonów powierzchniowych w wersji z falowodem paskowym Sensory tego typu są szczególnie przydatne w bioanalityce, wykazując wysoką czułość w monitorowaniu reakcji immunologicznych antygenprzeciwciało. Powierzchniowe plazmony - powierzchniowe fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się równolegle do obszaru wzajemnych oddziaływań metal-dielektryk (metal-próżnia). Ponieważ fale są na granicy metalu i ośrodka, oscylacje są bardzo czułe na jakiekolwiek zmiany tej 47 granicy, jak adsorpcja molekuł przez powierzchnię metalu.
Struktury z efektem polowym Tranzystor typu MISFET jako czujnik gazu. Metal bramki najczęściej Pd Zmiana napięcia progowego tranzystora polowego w wyniku oddziaływania z gazem. 48
Struktury z efektem polowym Mechanizm detekcji molekuł wodoru oraz innych węglowodorów przez grubą bramkę palladową. 49
Matryce MOSFET Nordic Sensor konsumpcja mocy ok. 100 mw w 200 o C 4 MOSFET-y z bramką katalityczną w strukturze mikromechanicznej: 1 MOSFET 2 Al 3 azotek PECVD 4 azotek LPCVD 50
Tranzystory MISFET Schemat tranzystora polowego MISiCFET w oparciu o SiC Detektory wodoru i węglowodorów w przedziale temperatur 600 700 o C 51
Kompozyty organiczne Cyrano Sciences Sensor Technology Cienka warstwa kompozytu: przewodzący węgiel w matrycy polimerowej 52
Możliwości technologii LTCC Technologia LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) wysokiej jakości ceramiczne elementy konstrukcyjne i obudowy dla elektroniki oszczędność ścieżek przewodzących i połączeń międzyukładowych łatwe wytwarzanie biernych elementów elektronicznych (rezystory, kondensatory, cewki) wewnątrz struktury ceramicznej trzecia generacja technologii LTCC to struktury łączące w sobie elementy elektroniczne i mikromechaniczne (mezosystemy o wymiarach od kilkudziesięciu mikrometrów do pojedynczych centymetrów) takich jak zawory i pompy sterujące przepływem cieczy, układy grzejne i chłodzące oraz czujniki wielkości fizycznych i chemicznych. 53
Technologia LTCC Powierzchnia ceramiki LTCC po wypaleniu w czasie 60 minut Przy optymalnym procesie laminacji osiągnięto chropowatość powierzchni warstwy wierzchniej nie gorszą niż 0.25 μm co okazało się wystarczające dla technologii cienkowarstwowej. 54
Podłoża LTCC Struktura III Warstwa 1 - góra (elektrody międzypalczaste Au) Warstwa 2 - góra (grzejnik Pt) Warstwa 2 - dół (pola kontaktowe) grzejnik Pt jako czujnik temperatury międzypalczaste elektrody mała ilość przelotek warstwa metaliczna dla wyrównania temp. Sensor w obudowie TO-5 55
W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 Podłoża LTCC Struktura III - rozkład temperatury U = 3.74V I = 0.13A RH = 28.16 P = 0.496 W 56
W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 Sensory mikromechaniczne wytwarzane w kooperacji z ITE W-wa Ogólna idea rezystancyjnego sensora gazu na membranie krzemowej Zużycie mocy poniżej 100 mw 57
W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 Sensory mikromechaniczne wytwarzane w kooperacji z ITE W-wa Schemat procesu technologicznego mikromechanicznego podłoża dla czujnika gazu 58
Sensory mikromechaniczne wytwarzane w kooperacji z ITE W-wa Przykład optymalizacji rozkładu temperatury (a) (b) (c) Symulacja rozkładu pola temperatury na powierzchni sensora dla trzech różnych konfiguracji grzejnika o szerokości 50 µm: (a) ścieżki zawężone w centrum, (b) równe odległości między ścieżkami, (c) grzejnik optymalizowany o zwiększonych odległościach między ścieżkami w centralnej części i zmniejszonych na brzegach W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 59
Sensory mikromechaniczne wytwarzane w kooperacji z ITE W-wa Rozkład temperatury sensora Dokładność pomiaru temperatury 0.2 o C, szacowana wielkość najmniejszego obszaru (piksela) - ok. 100 µm Rozkład temperatury sensora mikromechanicznego w obudowie; pomiar przy użyciu kamery termowizyjnej Avio z serii TVS-110 z soczewką powiększającą CUL01 GoRaTec 60 W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006
Sensory mikromechaniczne 3 płytka Si z wytworzonymi sensorami widok z góry widok od spodu pojedyńczy sensor W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 61
Sensory mikromechaniczne (a) (b) (c) (d) Sensor zamontowany w obudowie TO-5: (a) podłoże przymocowane do obudowy silikonem wysokotemperaturowym Technicoll, kontakty struktury bondowane potrójnie drutem Au φ=25 µm, drugi koniec drutu klejony do nóżek obudowy (klej ELPOX ER63MN), (b) podłoże zawieszone na pojedynczych drutach Au φ=50 µm, druty klejone do podłoża mikromechanicznego oraz zgrzewane do kołków obudowy, (c) widok z boku, (d) czujnik z kapturkiem i siatką ochronną W. Maziarz, praca doktorska, 2006 62
W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 Pomiary odpowiedzi czujników - układ I Schemat układu I do badań pojedynczych czujników gazu 63
Pomiary odpowiedzi czujników - układ II z kartą pomiarową Schemat układu II z kartą pomiarową do badań matrycy czujników gazu W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 64
Pomiary odpowiedzi czujników w funkcji temperatury metoda quasistatyczna (a) (b) Zależność czułości w funkcji temperatury dla CO (a) oraz NO 2 (b) dla badanych sensorów dla wilgotności 60%. Na wykresach podano również przykładowy przebieg rezystancji sensora W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 65
Modulacja temperatury sensora 400 ppm NO 2 1000 CO + 400 NO 2 powietrze 1000 ppm CO Przebiegi rezystancji czujnika w trakcie modulacji jego temperatury pracy. Zaznaczono punkty charakterystyczne A, B, C, D użyte w dalszej analizie. W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006 66
Moduł sensorowy z możliwością programowania pojedynczy sensor gazu typu MSGS 3000 wym. podłoża: 0.8 0.8 mm 2 membrana: low stress SiN x, gr. 0.8 µm, warstwa gazoczuła SnO 2 Moc pobierana w trybie izotermicznym dla 400 o C wynosi 38 mw, w impulsowym tylko 13 mw! Moduł MSGS 3000 z dwoma sensorami gazu (Microsens) Cena skalibrowanego modułu MGSM3000 wraz z oprogramowaniem wynosi 1500 CHF (około 4100 zł grudzień 2004) 67
Mikrosystem pomiarowy 1 6 półprzewodnikowych czujników gazu, dedykowany interfejs (ASIC), 8-bitowy mikrokontroler. wymiar 6-elem. matrycy:2.0 3.0 0.38 mm pobór mocy (tryb impulsowy) ~100mW MGSM 4000 (Microsens) 68
Pomiar z użyciem matrycy czujników Miernik stężenia CO i C 3 H 8 w mieszaninie Mieszanina gazów Czujnik 1 TGS 2440 Czujnik 2 TGS 813 Blok obliczeniowy (mikroprocesor z oprogramowaniem) Wyznaczone koncentracje składników Zbiór danych będących odpowiedziami sensorów wraz z odpowiadającymi im znanymi z góry stężeniami umieszczono w tablicy (ang. Look-Up-Table, LUT) w pamięci danych urządzenia. Znając wartości bieżących sygnałów z matrycy sensorów oraz zawartość tablicy LUT, możliwe jest przy wykorzystaniu interpolacji liniowej wyznaczenie aktualnego stężenia gazów. 69
Pomiar z użyciem matrycy czujników Czujniki Figaro: TGS 2611 (detekcja gazów palnych) TGS 2442 (detekcja tlenku węgla) Układ bazujący na aproksymacji charakterystyk sensorów Ze wzrostem stężenia gazów redukujących (CO, C 3 H 8 ) maleje R (zależność nieliniowa). Dla mieszaniny każdy z czujników reaguje w mniejszym lub większym stopniu na oba składniki. Nieliniową zależność każdego ze stężeń w funkcji rezystancji obu sensorów aproksymowano wielomianem funkcji dwu zmiennych: C t i C p stężenia CO i C 3 H 8 współczynniki wyzn. metodą kalibracji Określenie stężenia CO w mieszaninie dla znanych parametrów γ 1 γ 4 i znanej koncentracji C 3 H 8 : 70
Podsumowanie Aktualny rynek to elektrochemiczne sensory w przemyśle samochodowym oraz półprzewodnikowe rezystancyjne sensory gazów na rynku konsumenckim. Produkcja sensorów rezystancyjnych oparta jest zasadniczo na technologii ceramiczno-grubowarstwowej Technologia ceramiczna LTCC stwarza możliwości integracji struktury sensorowej i elektroniki obróbki sygnału w ramach jednego mezosystemu / mikrosystemu Struktury mikromechaniczne zapewniają niską konsumpcję mocy, małą stałą czasową odpowiedzi temperaturowej oraz łatwość integracji z elektroniką obróbki sygnału Perspektywiczne technologie: sensory optyczne, zwłaszcza w ochronie środowiska Przyszłość rynkową mikrosensorów gazów określi współzawodnictwo technologii ceramicznej i mikromechanicznej w krzemie. Rozwiązania matrycowe przemawiają na korzyść technologii mikromechanicznej. 71
Źródła H. TETERYCZ, GRUBOWARSTWOWE CHEMICZNE CZUJNIKI GAZÓW NA BAZIE DWUTLENKU CYNY: http://www.dbc.wroc.pl/content/1076/grubowarstwowe.pdf A Discussion on Pellistor Gas Sensor Responses: http://www.clairair.co.uk/pellistor_article.pdf A Multimedia Guide on Gas sensors: http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/ An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering by N. Maluf http://www.scribd.com/doc/47418045/an-introduction-to-mems-engineering-nadim-maluf-and-k Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0925400500006390 Figaro Inc. (Operation principle, general technical information): http://www.figarosensor.com/ Microsens: http://www.microsens.ch/ FIS - Japanese company (technical information): http://www.fisinc.co.jp/ 72