3. Érzékelési módszerek, alkalmazások d) Kémiai érzékelés
Az érzékszervek funkcióinak megvalósítása: MEMS Mikro-elektromechnaikai rendszerek 2015. november 6. MTÜ 2015 PPKE IBK 2 Diagnózis terápia - segédeszközök
Az emberi érzékelés jellemzői http://www.mogi.bme.hu/letoltes/mechatronikai & IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI TÁRGYAK/INTELLIGENS TERMEKEK ELEMEI/Előadások/Sensors.pdf
Működési elv: Eszköztípus: Bio(kémiai) érzékelők
A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján vezérlőjele Biokémiai
A kémiai érzékelés: anyag és környezet kölcsönhatása Szelektivitás korlátozott: A célmolekulára, komponensre kapott válaszjel dominál Keresztérzékenység legyen elhanyagolható Stabilitás (időben, térben) kritikus Reprodukálhatóság (degradáció) Drift, linearitás hibája Kalibrálás, hibakompenzáció (válaszjel feldolgozás)
Gázelegy nedvességtartalmának mérése
Nedvességérzékelés kémiai kapacitás Permeabilis Au elektróda Polimer réteg Fém elektróda Üveg hordozó A dielektrikum: Pórusos Si vagy Al2O3 is lehet, amit a rétegek anodikus marásával állítanak elő
RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY www.mfa.kfki.hu/laboratories/sensorics Humidity sensor 5-50% rh, or 60-95% rh, refreshing cycle Capacitive sensing principle: porous Si as tuned dielectric layer, H2O = 82 Au electrodes on PS interdigital read-out electrodes integral heater Dynamics: minimum power: refresh time: 100mW 1 min porous Si layer Normalised capacitance 60 50 40 30 20 10 0 up down 0 20 40 60 80 100 Relative humidity [%]
Relatív nedvesség érzékelése R(Ω) vs. RH(%) and T ( C) C (pf) vs. RH (%) and f(hz) T=const.
A kémiai térvezérelt tranzisztor működése : Pd gate-es MOSFET Az adszorbeált és disszociált H2-ből a Pd-ba beoldott atomos hidrogén a fém-oxid határfelületre diffundálva a koncentráció függvényében megváltoztatja a kilépési munka-különbséget, ami a küszöbfeszültségben jelentkezik!
Ion-szelektív érzékelők
A ph fogalma A ph érték a hidrogén ionok aktivitásának (híg oldatokban a koncentrációjának) a mértéke, és kifejezi az oldat savasságát vagy lúgosságát. Logaritmikus egységben fejezik ki a ph és hidrogén ion koncentráció ( [ H+ ] mól/l ) közti összefüggést: ph = - lg [ H+ ]. A ph skála ph=0 tól ph=14-ig terjed: ha a ph értéke kisebb mint ph=7, akkor az oldat savas, ha a ph érték nagyobb mint ph=7, akkor lúgos. A semleges oldat ph=7 (pl. desztillált víz).
A szilárdtest kémiai érzékelőkben alkalmazott jelátalakító mechanizmusok
Az ion-szelektív térvezérelt tranzisztor-isfet működése Egységnyi ph változás ideális esetben ln10x26 mv, azaz 59mV eltolódást jelent az ISFET karakterisztikájában.
Elektromos kettősréteg kialakulási mechanizmusa a folyadék- szilárd dielektrikum határfelületen
Kémiai és biológiai érzékelők főbb alkalmazási területei Health, Wellness, Environment Fuel HVAC Fire detection Heating- O 3 HF Acetone Lambda HCl H 2 HC CO CH 4 Ethanol CO 2 C 2 H 2 O 2 Workplace security NO Smell NO 2 Humidity/ H 2 O Soot - Processcontrol Fuel type Material Quality Media Viscosity water content Particle Load Density Temp. contact less Exhaust Környezet monitoring és védelem Folyamat ellenőrzés Élelmiszeranalitika Élettudományok Orvosi diagnosztika Veszélyes-, tiltott-, robbanó-, stb. anyagok indikálása
Óndioxid (SnO 2 ) érzékelők: Taguchi Sensor (1968) A klasszikus szobahőmérsékleti gázérzékelő Gázérzékelő mechanizmus: Vezetőképesség változás a környezeti atmoszférában a lévő gázkoncentráció hatására Az adszorbeált oxigén potenciálgátat épít, ami akadályozza a vezetést CO reagál az adszorbeált oxigénnel, eredménye CO 2 The reaction between O2 and CO2 decreases the potential barrier resulting in a lower resistance
Alacsony hőmérsékleten (<300 C) működtetett SnO2 vezetőképessége A vezetőképességet (és a gázérzékenységet) a szemcsehatárokon fellépő energia-gátak szabják meg. A gáz adszorpció (kationok vagy anionok) a kiürített réteget ill. az energiagát magasságát befolyásolják, ami az elektronvezetés See: Morrison, Madou: Chemical sensing with solid state devices mozgékonyságát határozza meg.
Fémoxid félvezető gázérzékelők magas hőmérsékleti működtetésre Gas Ga 2 O 3 Electrodes Principle Metalloxides show semi-conductivity at high temperatures Reversible change of conductivity due to reaction with target gases Usage of new materials that are more chemically stable than SnO2 and operate at higher temperatures. Substrate U R= R(T, P Gas ) Characteristics high robustness long life low costs Energy consumption "W Non-selective
Sensor Array for Fast Explosion-proof Gas Monitoring EU FP5 SAFEGAS Micro hotplate array for gas sensing (conductivity, catalytic and flow sensors) test structure for process development MFA - 2005
Gázáram korlátozás: Vér alkohol-szint mérés kilélegzett levegőből (Ga2O3 gázérzékelő jele egy légzési ciklusból) 1 cm Ethanol-Sensor Main Flux Bypassed Flux Venting Rsensor (kohm) 100 10 T = 830 C Mit ANSYS berechnete Temperaturverteilung 755 780 760 785 765 790 770 795 775 800 780 805 C A termikus követelmények korlátozzák a maximális gázáramot 1 5690 5700 5710 5720 5730 5740 Protoype Fleet Test 0.25 mg/l ethanol time (sec)
Olcsó, alacsony disszipációjú gázérzékelési elv: Kilépési munka különbség mérése (Suspended gate FET) GASFET with air gap layer Gázérzékelő réteg GAS + - + - + - + - + - DF Pasziválás passivation Drain n-si p-si n-si V G V G = V G + DF/q Mechanizmus: Gázdiffúzió a légrésben Kölcsönhatás a gáz és az érzékeny felület közt: a felületi potenciál hozzáadódik a nyitófeszültséghez V G Kapacitív csatolás a csatornához Előnye: Kis teljesítmélnyfelvétel(µw -mw) Source Különböző érzékeny rétegek a detektált gáznak megfelelően: pl. fémek, szervetlen sók, szerves anyagok Tranzisztor nyitó karakterisztika DF A CMOS technológia olcsón integrálható eszközt eredményez
A felületi potenciál kiolvasás előnye: a gázérzékeny film készítési körülményei nem befolyásolják az eredményt TiN mint ammóniaérzékelő réteg -0,15 D [ev] -0,20-0,25 NH 3 180 200 220 240 260 280 300 t [min] 100 10 pgas [ppm] Thin film Thick film => NH 3 érzékenység nem függ a réteg vastagságtól, szemcsemérettől, azaz a technológiától!
RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY www.mfa.kfki.hu/laboratories/sensorics Microhotplate SiN membrane, Pt filament, TCR=1000ppm/ o C Pt filament SiN x T (oc) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 P (mw) 100 m
A pellisztor miniatürizálása A kalorimetrikus gázérzékelés elve: Éghető gázok heterogén katalízise Exother reakció magas hőmérsékleten A reakcióban keletkező hő (T) mérése Wheastone-bridge elrendezésben katalizátorok: Pt, Rh, RuO 2, Pd pórusos Al 2 O 3 referencia: porusos Al 2 O 3 csak 2.0% Buthane, Pt, 3mA membrán katalizátor fűtőellenállás, R kiolvasása 5 Out of balance voltage (mv) 4 3 2 1 0-1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (min)
Kérdések a kémiai érzékelő tárgykörből: 1. Mi az alapvető különbség a fizikai és a kémiai érzékelés között? 2. Mi a szerepe a páratartalomnak a kémiai érzékelésben? 3. Ismertesse a kémiai érzékelés folyamatát, egyes lépéseit! 4. Mi a ph érték és jelentősége? 5. Milyen jelátalakítási jelkiolvasási módozatok játszanak szerepet a kémiai érzékelésben? 6. Mi a relatív páratartalom (RH) definíciója és milyen az RH hőmérsékletfüggése? 7. Ismertesse az ionszelektív MOS tranzisztor működését! 8. Mi a klasszikus gázérzékelő (Taguchi-szenzor) felépítése és működési elve? 9. Milyen hőmérsékleten működnek a jellegzetes fémoxid félvezető gázérzékelők (kemoellenállás)? 10. Milyen kémiai érzékelőben lehet kvázi-tökéletes szelektivitást megvalósítani? 11. Mi a pellisztor működési elve és alkalmazási területe? 12. Hogy működik a felfüggesztett gates MOS gázérzékelés és hogy lehet a szelektivitását növelni? 13. Miért előnyös a pellisztor elv miniatürizálása az integrált gázérzékelőkben?