1 Sensory gazów II Nierezystancyjne sensory gazówSensory badane w Katedrze Elektroniki AGH Moduły pomiarowe Podsumowanie
2 Sensory optyczne absorpcyjneUkład dwudiodowy do pomiaru absorpcji w obszarze NIR Absorpcja metanu w głównym paśmie 3200 – 3400 nm 1 – dioda LED1, 2 - dioda LED2 3 - detektor
3 Sensory optyczne – z filtrem Fabry PerotaBudowa czujnika CO2 (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)
4 Sensory optyczne – metoda CRDSIdea 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.
5 Sensory optyczne fluorescencyjneWidma absorpcji A i emisji fluorescencyjnej pochodnej pyrenu (DPB) w atmosferze azotu B oraz w atmosferze tlenu C (gaszenie fluorescencji) Budowa scalonego sensora fluorescencyjnego sprzężonego ze strukturą mikrokanalikową μTAS
6 Sensory optyczne światłowodoweSchemat 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.
7 Sensory optyczne światłowodoweSensor 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 antygen-przeciwciało
8 Struktury z efektem polowymTranzystor typu MISFET jako czujnik gazu. Metal bramki – najczęściej Pd Zmiana napięcia progowego tranzystora polowego w wyniku oddziaływania z gazem.
9 Struktury z efektem polowymMechanizm detekcji molekuł wodoru oraz innych węglowodorów przez grubą bramkę palladową. Molekuły wodoru dysocjują na powierzchni Pd, dyfundują w postaci atomowej poprzez metal i osiadają jako dipole na międzypowierzchni metal/izolator . Ta warstwa dipolowa jest odpowiedzialna za obniżenie napięcia progowego i wzrost prądu drenu.
10 Detektory wodoru i węglowodorów w przedziale temperatur 600 – 700oCTranzystory MISFET Schemat tranzystora polowego MISiCFET w oparciu o SiC Detektory wodoru i węglowodorów w przedziale temperatur 600 – 700oC
11 Sensory mikromechaniczne wytwarzanew kooperacji z ITE W-wa Ogólna idea rezystancyjnego sensora gazu na membranie krzemowej Zużycie mocy poniżej 100 mW
12 Sensory mikromechaniczne wytwarzanew kooperacji z ITE W-wa Schemat procesu technologicznego mikromechanicznego podłoża dla czujnika gazu
13 Sensory mikromechaniczne wytwarzanew kooperacji z ITE W-wa Rozkład temperatury sensora mikromechanicznego w obudowie; pomiar przy użyciu kamery termowizyjnej Avio z serii TVS-110 z soczewką powiększającą CUL01 GoRaTec. Dokładność pomiaru temperatury 0.2oC, szacowana wielkość najmniejszego obszaru (piksela) - ok. 100 µm W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, rozprawa doktorska, 2006
14 Sensory mikromechanicznepojedyńczy sensor, widok z góry 3” płytka Si z wytworzonymi sensorami
15 Sensory mikromechaniczneMikromechaniczny sensor gazu w obudowie TO-5 bez kapturka z kapturkiem i widoczną stalową siatką ochronną
16 Pomiary odpowiedzi czujników w funkcji temperatury – metoda quasistatyczna(b) (a) Zależność czułości w funkcji temperatury dla CO (a) oraz NO2 (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
17 Modulacja temperatury sensora400 ppm NO2 1000 CO NO2 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
18 Moduł sensorowy z możliwością programowaniawym. podłoża: 0.8×0.8 mm2 membrana: low stress SiNx, gr. 0.8 µm, warstwa gazoczuła SnO2 moc pobierana w trybie izotermicznym dla 400oC wynosi 38 mW, w impulsowym tylko 13 mW! pojedynczy sensor gazu typu MSGS 3000 Moduł MSGS 3000 z dwoma sensorami gazu (Microsens)
19 Mikrosystem pomiarowy1 – 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)
20 Pomiar z użyciem matrycy sensorówMiernik stężenia CO i C3H8 w mieszaninie Blok obliczeniowy (mikroprocesor z oprogramowaniem) Czujnik 1 Wyznaczone koncentracje składników Mieszanina gazów Czujnik 2 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.
21 Pomiar z użyciem matrycy sensorówUkład bazujący na aproksymacji charakterystyk sensorów Czujniki Figaro: TGS 2611 (detekcja gazów palnych) TGS 2442 (detekcja tlenku węgla) Ze wzrostem stężenia gazów redukujących (CO, C3H8) 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: Ct i Cp – stężenia CO i C3H8 g, z – współczynniki wyzn. metodą kalibracji Określenie stężenia CO w mieszaninie dla znanych parametrów γ1–γ4 i znanej koncentracji C3H8:
22 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 czsową 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.