برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

یکی از مشکلات سنسورهای گاز، توان تلف شده در هیتر آن است. در حال حاضر تحقیقات وسیعی در زمینه کاهش این توان چه بصورت ساخت سنسورهای گاز بر روی زیرلایه های پلیمری که در دمای معمولی کار میکنند و چه بصورت تغییر در ساختمان هیتر بوسیله کوچک کردن ابعاد آن بکمک تکنولوژی هایی نظیر MEMS و ... در حال انجام است.

طرح کلی ساختار سنسورهای گاز بر اساس MEMS در شکل زیر ارائه شده است:

شکل یک: ساختار سنسور گاز بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم و MEMS 

در این ساختار، ابتدا حفره ای در یک ویفر Si ایجاد و سپس غشای داخلی حفره توسط لایه نازکی ازSiO2/Si3N4 (اکسید سیلیکون/ نیترات سیلیکون) با تکنیک Sputtering پوشانده می شود. دلیل بکارگیری SiO2 این است که این ترکیب اکسید سیلیکون علاوه بر داشتن ضریب عایقی دی الکتریک 3.9 و ولتاژ شکست در حدود 107 ولت بر سانتیمتر، وقتی روی سیلیکون پوشانده شود، تا دمای ذوب سیلیکون، فوق العاده از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. همچنین Si3N4 علاوه بر واسطه داشتن ضریب عایقی 7.5 و ولتاژ شکست بیش از 100 ولت بر سانتیمتر ، سدی بسیار عالی در مقابل نم و رطوبت است که در نتیجه باعث کاهش اثر رطوبت بر ویفر سیلیکونی میشود. اما باید این نکته مهم را در نظر داشت که تماس مستقیم نیترات سیلیکون با ویفر سیلیکونی باعث ایجاد کشش و استرس سطحی در Si می شود، لذا ابتدا لایه SiO2 روی سیلیکون کشیده میشود تا از اثر استرس ناشی ازSi3N4 جلوگیری شود.

اکنون هیتر بصورت فیلم نازکی از جنس پلاتین با تکنیک رسوب گذاری – یا هر روش دیگر Thin Filmیی نظیر Evaporation و ... – روی ویفر سیلیکونی ایجاد میگردد و سپس روی این هیتر توسط ماده ی عایقی نظیر SiO2 پوشانده میشود. بعد از آن نوبت الکترودهای پلاتینی، نقره ای، یا طلایی است که دقیقاً بر روی هیتر رسوب داده میشوند. در مرحله بعدی لایه حساس به گاز – یکی از اکسیدهای قلع، تنگستن، روی و ... – که در اینجا از SnO2 استفاده شده است، روی الکترودها رسوب داده میشود.

پس از رسوب دادن لایه حساس به گاز، لایه ی عایق نازکی از جنس SiO2 روی آن رسوب داده میشود. هدف از این لایه ی عایق، گذاشتن لایه دیگری بعنوان کاتالیست است که نقش فیلتر گاز را بازی میکند. میتوان با افزودن فلزاتی نظیر پلاتین، طلا، پالادیوم، و یا نقره به SnO2 ، سنسور را به گاز هدف مورد نظر بخوبی حساس کرد. در اینصورت به لایه عایق و سپس کاتالیست دیگر نیازی نخواهد بود.

پس از رسوب دادن لایه عایق بر روی لایه نازک SnO2 ، اکنون میتوان ترکیب کاتالیست مورد نظر (در اینجا پالادیوم/اکسید آلومینیوم) را با تکنیک فیلم ضخیم روی آن چاپ کرد. شکل زیر تصویر گرفته شده توسط SEM از لایه های متفاوت این ساختار را نشان میدهد: 

شکل دو : تصویر SEM گرفته شده از لایه های سنسور

سنسور گاز ساخته شده با این تکنیک در دمای کاری 450 درجه سانتیگراد دارای تلف توانی کمتری از 35 میلی وات خواهد بود. این سنسور توسط شرکت Fuji Electric Advanced Technology توسعه داده شده و بر روی وسایل اندازه گیر و آنالیزورهای گاز ساخت آن شرکت بکار گیری شده است. بخشی از اطلاعات فوق از مقاله چاپ شده توسط این شرکت در ژورنال Elsevier ، مجله سنسور و اکچویتر B، شماره 109  صفحات 185 تا 189 (سال 2005) ارائه شده است.   

همانطوریکه در پستهای قبلی نیز گفته شد، کنترل هوای آلوده محیط اطراف یکی از دغدغه های مهندسین محیط زیست است. 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.         

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :