تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - بهبود هوای محیطهای بسته به کمک سنسورهای CO2

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

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

بنام خـــــــــــدا

ایده اندازه گیری میزان دی اکسید کربن در محیطهای بسته و سپس کنترل و تنظیم سیستمهای تهویه سالهاست که مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است. عده ای معتقدند که این روش بیشتر از آنکه سودده باشد آنالیزکننده است. اساس این روش بدین شرح است: بیشتر از آنچه مورد نیاز است از محیط خارج هوا وارد محیط داخل نکنیم، چرا که این هوای اضافی باید خنک شود، گرم شود، رطوبت آن گرفته شود، مرطوب گردد، فیلتر شود و ...

در عوض، میتوان تعداد افراد درون محیط بسته را شمارش کرده و با استفاده از یک وسیله کم مصرف نرخ هوای تازه ی ورودی را کنترل نمود. با توجه به اینکه همه ما در بازدم دی اکسید کربن بیرون میدهیم، اندازه گیری میزان این گاز می تواند تخمین نسبتاً دقیقی از فضای اشغال شده در اتاق و کیفیت هوای آن را ارائه کند. این سیستم که بصورت کنترل تهویه بر اساس میزان تقاضا کار میکند اختصاراً Demand-Control Ventilation System یا DCV نامیده میشود. سیستم DCV در کم کردن اتلاف انرژی بسیار موثر است و تا 15 فوت مکعب بر دقیقه هوای تازه را برای حداکثر میزان فضای اشغال شده ارائه میکند.

استفاده از سنسورهای CO2 تقریباً در بسیاری نقاط بصورت یک اجبار درآمده و قوانین مربوط به آن نیز وضع شده است. ماده 24 کمسیون انرژی کالیفرنیا بر استفاده از سیستم DCV در  اماکنی با بیش از 25 نفر بر 1000 فوت مربع تصریح دارد. بند 62 استاندارد ASHRAE (انجمن مهندسی گرمایش، سرمایش، و تهویه هوای آمریکا یا American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) استفاده از سنسورهای CO2 را برای کنترل میزان تهویه هوا تا جائیکه ضوابط رعایت شوند مجاز میداند. سیستمهای DCV بهترین گزینه برای اماکنی است که بطور متناوب یا بصورت غیر قابل پیش بینی توسط افراد اشغال میشوند نظیر: تالارهای کنفرانس و همایشها، کلاسهای درس، سالنهای سینما، فرودگاهها و ... از دیگر موارد کاربرد این سیستم میتوان به بیمارستانها و حتی کازینوها اشاره کرد که در این دو محیط کنترل حد مجاز CO2 بحرانی تر است (اولی بخاطر شرایط ویژه بیماران و دومی بدلیل تحرک بالاتر و مصرف دخانیات که هر دو باعث افزایش نرخ CO2 میشود). 

در ادامه این مطلب در قسمت دوم با خصوصیت سنسورهای CO2 برای این سیستم و همچنین نحوه عملکرد آن آشنا خواهیم شد.


پرسش و پاسخ سنسور گاز

بــــــنام خدا

از من خواسته شد تا تعدادی سوال بهمراه پاسخهایی کوتاه در زمینه تکنولوژی فیلم ضخیم و سنسورهای گاز برای یک Workshop آماده کنم. فکر کردم شاید این سوال و جوابها برای خوانندگان محترم وبلاگ نیز مفید باشد. اگر سوالی هم در این زمینه به ذهن شما میرسد آنرا به آدرس پست الکترونیکی وبلاگ ارسال کنید.

1. What are the major parts of thick film printing technology?

 1. Printing, 2. Drying, and 3. Firing

2. What are two important characteristics of thick film pastes?

They are: a) Viscous fluids with a suitable rheology and b) Composed of two different multi-component phases.

3. Name two multi-component phases needed in fabrication of thick film pastes.

a) A functional phase to impart the electrical and mechanical properties and b) A vehicle phase to impart the proper rheology.

4. What are three basic categories of thick film pastes classified based-on thermal curing?

1. Polymer thick film (< 300°C) 2. Refractory thick film (>1300°C) 3. Cermet (Ceramic Metal Element) thick film (800 °C to 1000 °C)

5. What are the main components of ceramic metal paste?

1. Active element, 2. Adhesion element, 3. Organic binder, and 4. Solvent element

6. What are differences between “fritted” and “fritless” adhesion elements?

1. Thermal curing for fritted adhesion elements which contain glass elements is done at lower temperature (500 °C to 600 °C) but fritless composition is fired at 950 °C to 1100 °C. 2. Fritted adhesion is bound to the substrate based-on melting components. The fritless adhesions react with broken oxygen of the substrate to form a spinel structure (an AB2O4 oxide).

7. Name three major thermal treatments of powder preparation for thick film paste.

1. Drying after milling at about 100 °C. 2. Calcination at about 500 to 600 °C. 3. Sintering at above 800 °C.

8. What are the processes of thermal curing for printed thick film layer?

1. Leveling time at room temperature 2. Drying at 125 to 150°C 3. Firing at above 850 °C.

9. What are the three important parameters for characterization of thick film paste?

1. Fineness of grind, 2. Percent solids, 3. Viscosity.

10. What are the criteria of the conductive thick film pastes?

1. High purity of the fired layer

2. Have a porous structure (for gas and humidity sensors)

3. Have low resistance

4. High resolution

5. Good adhesion to the substrate

6. Be chemical stable

7. Be heat stable

8. Solderability

11. Name three material that are satisfied the requirements for conductive pastes?

Noble metals such as gold, platinum, palladium, copper, and silver. Then the paste can be formed in single-component (on the basis of silver or gold), or double component such as Ag-Pd, Au-Pt, Au-Pd, etc.

12. Why thick film components are called “Ceramic Films”?

Polycrystal films with thickness 10-100 µm are used for producing thick film components, because their structure is similar to the structure of the ceramics they are regarded as ceramic films.

13. Compare the earliest and the modern thick film resistors?

The earliest thick film resistors were made from material such as carbon, silver, and iron oxide. They were found to suffer from poor long-term stability, unpredictability of fired resistivity, and unacceptably high temperature coefficients. Modern thick film resistors are mainly based-on ruthenium dioxide (RuO2). This material has a high conductivity and is extremely stable at high temperatures.

14. Why we need gas sensors?

We need gas sensors to improve the environmental and safety control of toxic gases. There is also a great need for these kinds of sensors for optimizing combustion reactions in the emerging transport industry, and domestic and industrial applications.

15. What is the basic consideration to detect the gas by a planar gas sensor?

Atoms and molecules interact with semiconductor surfaces, and influence such surface properties as conductivity and surface potential.

16. What are the best materials for detection of gas by gas sensors?

The most suitable semiconductor materials for this type of sensor are metal oxides. Unlike other semiconductors which, under long-term or cycled heating in air, undergo irreversible chemical transformations by forming stable oxide layers, metal oxides bind oxygen on their surface in a reversible way. These materials can be classified as n-type or p-type according to whether their resistance increases or decreases when they are exposed to a reducing gas in an atmosphere of fixed oxygen partial pressure (air).

17. Name three materials that can be used as an active layer in a planar gas sensor.

Zinc Oxide (ZnO), Tin Oxide (SnO2), and Tungsten Oxide (WO3)

18. Beside the type of material used as active layer, what are the other parameters for a planar gas sensor to detect a target gas?

1. Particle size of active layer 2. Environment relative humidity 3. Reaction temperature provided by heater 4. Flow rate of the applied gas 5. Type of catalyst and filter above the active layer

 19. Explain how the particle size of powder in active layer can affect the sensitivity of a planar gas sensor?

Planar gas sensors are worked based-on adsorption by trapping the oxygen molecule between the grain boundaries of active layer. Smaller grain size leads to more available surface of grain boundaries causes more sensitivity.

20. Briefly explain the terms of additive, doping, and catalyst in a planar gas sensor.

Additive: such as glass frit powders, are used to ensure good adhesion of film to the substrate. These materials usually increase the resistance of the film, because they fit active grains together to form a compact adhesive film on the substrate, but they have no catalytic properties.

Doping: Commercially available sensors normally contain a small quantity of noble metals such as Ag, Ti, Pd and Pt, which are dispersed on the oxide as activators or sensitizers to improve the gas selectivity and lower the operating temperature. They enhance the selectivity to some gases of active layer activity. They also make the basic material active for particular reactions, thus making the layer more sensitive.

Catalyst: The metal oxide-based sensors react to a wide range of gases with similar chemical properties. Catalytic filters can be applied to some of them so that selectivity is high. Recently some catalytic filters have been used in the construction of gas sensors. They prevent any reactions with some gases by removing these gases by combustion or some other reaction before they reach the active layer.

Cross Sensitivity در سنسورهای گاز


حساسیت متقابل یا Cross Sensitivity اصطلاحی است که در سنسورهای گاز مورد استفاده قرار میگیرد و عبارتست از نمایاندن اثر یک گاز وقتی که ما نمی خواهیم آن گاز آشکار شود. حساسیت متقابل باعث انحراف از نتایج سنسور و گمراه ساختن کاربر میشود، چرا که سنسور پاسخی را نشان میدهد که مربوط به اثر گازی که در پی آن بوده ایم نیست. مثلاً سنسور گاز CO ممکن است بطرز قابل ملاحظه ای به هیدروژن، اتیلن، و ایزوبوتیلن واکنش نشان دهد. در نتیجه در حضور این گازها، سنسور به ما میگوید که گاز CO در محیط وجود دارد در حالیکه اینطور نیست. برای جلوگیری از Cross Sensitivity بهترین گزینه استفاده از فیلتر است (ترکیباتی مانند ذغال چوب). در بعضی موارد با تغییراتی در سیستم پردازش اطلاعات سنسور میتوان تنها اطلاعات صحیح را بدست آورد.

اضافه کردن لایه ای بر روی لایه حساس به گاز – لایه اکتیو – بکمک فیلترهایی نظیر Nb2O5 – پنتاکسید نئوبیوم – میتواند باعث حذف اثر حساسیت متقابل شود. این فیلتر در سنسورهای گروه هیدروکربن و الکل بسیار خوب جواب داده است. در اینصورت ترکیب گازهای موجود در محیط  قبل از رسیدن به لایه اکتیو باید از فیلتر گذر کنند و فیلتر نیز با توجه به نوع آن تنها به گازهایی مشخص اجازه عبور خواهد داد.

استفاده از فیلترهای پلاتینی و پالادیومی نیز انتخاب دیگری برای شناسایی ترکیبات هیدروکربنی است. البته باید در نظر داشت که بدلیل خواص رسانایی، این فلزات را بروی لایه عایقی معمولاً از جنس اکسید آلومینیوم – Al2O3 – رسوب می دهند. اکسید مس – CuO – نیز انتخاب دیگری برای کمتر کردن حساسیت سنسور CO به اتانول است. برای اینکار میتوان ابتدا روی لایه اکتیو را با Al2O3 پوشاند (مثلاً با Sputtering) و سپس CuO را روی این لایه Sputter کرد.

ترکیب هموژن پلاتین که از چسب پلاتین (چسبی که من استفاده کرده ام از کمپانی ESL خریداری شده و به نام ESL-5542 شناخته میشود) بسادگی قابل دسترسی است بر روی لایۀ Al2O3 به ترکیبات بنزن حساسیتی متفاوت نسبت به لایه پلاتین جامدی دارد که روی اکسید آلومینیوم Sputter شده است. بعلاوه این استراکچر باعث پایان آمدن دمای واکنش شده و علاوه بر طولانی تر شدن عمر سنسور باعث کاهش تلفات توان در هیتر آن میشود. ترکیب هموژن پلاتین را میتوانید با رقیق کردن چسب آن (85%) توسط ترکیب آلفاتریپینوئل – اتیل سلولز – متانول (بترتیب به میزان 10-5-85 درصد) بسازید و سپس با تکنیک پرینت اسکرین (در ایران بنام چاپ سیلک معروف است) روی لایه آلومینا بنشانید (ضخامت 5 میکرون یا کمتر).

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.   

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 :