1 Sensory gazów I Wstęp Produkcja rynkowa mikrosensorów gazówRozwój technologii rezystancyjnych sensorów gazów Wpływ technologii mikromechanicznej Nierezystancyjne sensory gazów Sensory badane w Katedrze Elektroniki AGH Moduły pomiarowe Podsumowanie

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 na sprzedaż: 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 LambdaSensory lambda w przemyśle samochodowym (kontrola spalania)

6 Rozwój tematyki sensorów gazówPierwsze 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 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: SnO2, ZnO, TiO2, WO3, In2O3.

7 Mechanizm działania sensora rezystancyjnegoReakcja jonosorpcji z wychwytem elektronu: Reakcja redukcji jonu tlenu: Konduktancja: (a), (c) (b), (d)

8 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

9 Rozwój technologii sensorów gazów,spieki Sensor TGS 203 do detekcji CO RH = 1.9 Ω VH = 0.8 V VC = 12V PH = 2 x 370 mW Sproszkowany materiał półprzewodnikowy z odpowiednimi domieszkami katalitycznymi oraz lepiszcze

10 Rozwój technologii sensorów gazówMikrosensor FIS serii SB: (a) konstrukcja, (b) podstawowy układ pomiarowy. Końcówka „1” jest wspólna dla napięcia grzejnika VH i napięcia odczytowego VC. Dzięki miniaturyzacji moc wydzielana w elemencie nie przekracza 130 mW. Sensor przeznaczony jest do detekcji metanu, propanu i innych gazów palnych oraz toksycznych

11 Rozwój technologii sensorów gazówCzujnik Figaro serii TGS 800 Warstwa SnO2 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. 300o C Moc grzejnika ok. 835 mW

12 Sensor FIS serii SP z impulsową modulacją temperatury.Warstwy grube Sensor FIS serii SP z impulsową modulacją temperatury. Zaawansowana technologia grubowarstwowa, Kontakty Au, Grzejnik RuO lub Pt. Zużycie mocy 300 – 400 mW.

13 Warstwy grube Sensor Figaro TGS 2400 do detekcji gazów toksycznychKonfiguracja jednostronna, zużycie mocy 14 mW (wart. średnia) Sterowanie impulsowe, zasilanie VC=VH= 5V

14 Technologia mikromechaniczna, zintegrowane podłoża(b) Typy membran spotykane w czujnikach mikromechanicznych: zamknięta (a) oraz podwieszona typu pająk (b)

15 Wpływ technologii mikromechanicznejSensor MGS 1100 firmy Motorola do detekcji CO sensor w obudowie

16 Wpływ technologii mikromechanicznejSensor tlenku węgla Motorola MGS 1100 zasilanie czujnika Cykliczna zmiana T: stan H: usunięcie wody i zanieczyszczeń z powierzchni (minimalizacja wpływu RH) stan L: detekcja CO MGS1100 CO gas sensor datasheet:

17 Mikrobelki Matryca mikrobelek z zakończeniami,z których jedno pokryte jest materiałem gazoczułym. Detekcja częstotliwościowa (zmiana masy) lub optyczna

18 Pelistor z katalizatorem powierzchniowym (średnica rzędu 1 mm)Sensory pelistorowe Pelistor z katalizatorem powierzchniowym (średnica rzędu 1 mm) Pelistor zamocowany w obudowie Do pomiaru stężenia gazów palnych i wybuchowych oraz par cieczy palnych. Zastosowania: górnictwo, przemysł chemiczny, gazownictwo, petrochemia, telekomunikacja, gospodarka komunalna, budownictwo.

19 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) Praca w układzie mostka Wheatstone'a. Element aktywny SA + element kompensacyjny SK z równolegle połączonym rezystorem kompensacyjnym RK.

20 Sensor mikrokatalitycznyMembrana: LPCVD azotek krzemu (0.5 µm) wym. ~ 1 x 1 mm Grzejnik: Pt (0.3 µm), kilkadziesiąt Ohm, TWR > 3000 ppm/K Katalizator: metal szlachatny (Pd, Rh), grub. ~ mikrometrów wymiar ~ 1/3 wymiaru membrany Konsumpcja mocy < 100 mW dla T = 500oC

21 Sensory termokonduktometryczne (katarometry)λG - przewodność cieplna gazu M0 - masa cząsteczkowa d0 - 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

22 Sensory elektrochemiczne – sonda lambdaUboczne produkty spalania paliwa w silniku: węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), tlenek węgla (CO) i niespalone resztki tlenu (O2) 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.

23 Sonda lambda Optymalna mieszanina (stechiometryczna): AFR = 14,7.Ilość niewykorzystanego tlenu w gazach wydechowych jest dobrym pośrednim wskaźnikiem czy mieszanina jest bogata czy uboga. Sonda lambda służy do oceny składu tej mieszaniny. 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 Parametr określający skład mieszanki - współczynnik AFR (Air to Fuel Ratio): Optymalna mieszanina (stechiometryczna): AFR = 14,7.

24 Sonda lambda Optymalny zakres współczynnika AFR - okno katalityczne (okno lambda). Zależność procentowej ilości produktów spalania paliwa w funkcji współczynnika „lambda”

25 Charakterystyka sondy lambda (HEGO) w temp. pracy ok. 600oCSonda lambda Palcowa tlenowa sonda lambda zainstalowana w rurze wydechowej Charakterystyka sondy lambda (HEGO) w temp. pracy ok. 600oC

26 Sensory elektrochemiczne - czujnik o budowie planarnejZalety w stosunku do sondy HEGO z grzejnikiem: szybkie załączanie (ok. 10s) mały rozmiar (59x4x1 mm3) redukcja poboru energii (5-7 W) podwójna rurka chroniąca sensor przed uszkodz. term. i mech. Układ warstw planarnego czujnika tlenu LSF4 (niem. Lambda Sonde Flach) wytworzonego w technologii planarnej

27 Sensory elektrochemiczne - czujnik o budowie planarnejPlanarny sensor lambda LSF firmy Bosch: a) przekrój wzdłużny, b) przekrój poprzeczny sensora podłączonego do rury wydechowej

28 Sensory elektrochemiczneamperometryczne Sensor tlenu z ograniczeniem prądu; układ ze szczeliną ograniczającą Cienkowarstwowy sensor amperometryczny z limitowaniem prądu w wyniku reakcji chemicznych