SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Hasonló dokumentumok
SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK II

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK II

Biokémiai. A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

3. Érzékelési módszerek, alkalmazások. d) Kémiai érzékelés

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Mérés és adatgyűjtés

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 16. ELŐADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKELŐK I

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

G04 előadás Napelem technológiák és jellemzőik. Szent István Egyetem Gödöllő

Gerhátné Udvary Eszter

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

MCS. MCS - Gázérzékelők

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. a. Termikus elvek

MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós út 29-33

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

ATOMEMISSZIÓS SPEKTROSZKÓPIA

SZŰKÍTETT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2014 nyilvántartási számú (2) akkreditált státuszhoz

Jelölt válaszai Prof. Mizsei János Opponens megjegyzéseire és kérdéseire

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

VÍZGŐZKONCENTRÁCIÓ-MÉRÉS DIÓDALÉZERES FOTOAKUSZTIKUS MÓDSZERREL

Abszorpciós spektroszkópia

A Dräger PEX 1000 egy 4-20 ma távadó modul, amelyik a Dräger Polytron SE Ex DD szenzor fejek mv jeleit ma jelekké alakítja, és elküldi őket a

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I. Major applications 10. ELİADÁS AKUSZTIKUS HULLÁMOK TERJEDÉSÉN ALAPULÓ ESZKÖZÖK

RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (2) a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

a NAT /2010 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

Aktuátorok korszerű anyagai. Készítette: Tomozi György

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 8. ELŐADÁS: AKUSZTIKUS HULLÁMÚ (PIEZOELEKTROMOS) ÉRZÉKELŐK

KÖZEG. dv dt. q v. dm q m. = dt GÁZOK, GŐZÖK ÉS FOLYADÉKOK ÁRAMLÓ MENNYISÉGÉNEK MÉRÉSE MÉRNI LEHET:

MÓDOSÍTOTT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2016 nyilvántartási számú (1) akkreditált státuszhoz

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

A LÉGKÖR SZERKEZETE ÉS ÖSSZETÉTELE. Környezetmérnök BSc

Speciális passzív eszközök

ÚJ ELJÁRÁS KATONAI IMPREGNÁLT SZENEK ELŐÁLLÍTÁSÁRA

Gázelosztó rendszerek üzemeltetése V. rész

STATOX 501 telepíthető gázmonitor. Műszaki adatok

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Gázszivárgás kereső műszer

Gyakorlati problémák, megoldások a metán és a szén-monoxid érzékelők és mérőműszerek

Hogyan mérünk tömeget, hőmérsékletet és nyomást manapság? Alkímia Ma, ELTE, március 10. Miért pont ezek a mennyiségek a fontosak?

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Sugárzáson, és infravörös sugárzáson alapuló hőmérséklet mérés.

A fény tulajdonságai

MSA munkavédelmi megoldások az ipar részére

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

Nemzeti Akkreditáló Hatóság. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

On-line és off-line helyszíni hibagáz analízis. Czikó Zsolt MaxiCont Kft. 2009/10/16 1

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Nemzeti Akkreditáló Hatóság. SZŰKÍTETT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (2) a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Az égés és a füstgáztisztítás kémiája

Moore & more than Moore

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Villamos tulajdonságok

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

9. Gyakorlat - Optoelektronikai áramköri elemek

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (HPLC)

GaInAsP/InP LED-ek kutatása és spektroszkópiai alkalmazása a közeli infravörös tartományban

Új típusú anyagok (az autóiparban) és ezek vizsgálati lehetőségei (az MFA-ban)

RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

a NAT /2008 számú akkreditálási ügyirathoz

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Kémiai reakciók sebessége

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

Anyagvizsgálati módszerek Elemanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

GaInAsP/InP LED-ek kutatása és spektroszkópiai alkalmazása a közeli infravörös tartományban

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Hiszterézis: Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is.

1. feladat Összesen: 26 pont. 2. feladat Összesen: 20 pont

ALKALOIDOK MEGHATÁROZÁSAMÁKGUBÓBAN

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

MIKROELEKTRONIKA 7. MOS struktúrák: -MOS dióda, Si MOS -CCD (+CMOS matrix) -MOS FET, SOI elemek -MOS memóriák

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 6. ELŐADÁS: OPTIKAI SUGÁRZÁSÉRZÉKELŐK I.

2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

Szabadentalpia nyomásfüggése

A feladatok megoldásához csak a kiadott periódusos rendszer és számológép használható!

Szervetlen kémia I. kollokvium, (DEMO) , , K/2. Írják fel a nevüket, a Neptun kódjukat és a dátumot minden lapra!

Hevesy György Országos Kémiaverseny Kerületi forduló február évfolyam

a NAT /2013 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Jegyzetelési segédlet 8.

Plazmasugaras felülettisztítási kísérletek a Plasmatreater AS 400 laboratóriumi kisberendezéssel

Lehetővé teszi szűrőáramkörök tervezésekor az átviteli karakterisztika megvalósítását közelítő függvényekkel.

Sók oldáshőjének és jég olvadáshőjének meghatározása anizotermés hővezetéses kaloriméterrel

ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA 2.

FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

Átírás:

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 15. ELŐADÁS: GÁZÉRZÉKELŐK 2015/2016 tanév 2. félév 1

1. Bevezetés és áttekintés: gázérzékelők alkalmazási területei. 2. Gázérzékelőkben alkalmazott érzékelési elvek. 3. Általános jellemzők és problémák: szelektivitás, hosszúidejű reprodukálhatóság, kereszteffektusok (keresztérzékenység). 4. Vezetőképesség/ellenállás alapú gázérzékelők. 5. Piezoelektromos gázérzékelők, kvarc mikromérleg (QMB), felületi akusztikus hullámú (AFH) eszköz. 6. Kalorimetrikus elvű érzékelés (pellisztor) 7. Optikai spektroszkópiai módszerek. 2

3

ÉRZÉKELÉSI ELVEK Gázérzékelőkben alkalmazott érzékelési elvek: - vezetőképesség/ellenállás; - piezoelektromos; - térvezérlésű tranzisztor elv; - kalorimetrikus (katalitikus) - optikai; - spektrometriás. 4

SZILÁRDTEST (FÉLVEZETŐ) GÁZÉRZÉKELŐK Minden szilárdtest alapú gázérzékelő működése a gáz és a szilárdtest felületén lejátszódó reakción illetve kölcsönhatáson, (adszorpció, deszorpció, ionizáció, kémiai reakció, stb.) és a szilárd test valamely mérhető tulajdonsága ennek hatására való megváltozása mérésén alapul. A legelterjedtebbek a (fém-oxid) félvezető gázérzékelők (elektromos ellenállás változás) és a szilárd fázisú elektrolitos érzékelők, melyek többnyire cirkónium-oxid (ZrO 2 ) alapúak (elektromotoros erő elv alapján). Ezek az ún. amperometrikus gáz- (főleg oxigén) érzékelők, ilyen pl. a Clark-féle oxigénszonda. 5

VEZETŐKÉPESSÉG/ELLENÁLLÁS ALAPÚ GÁZÉRZÉKELŐK Az érzékelő vezetőképesség-változással reagál valamely gáz jelenlétére. Két típus: - fém-oxidok (ezek félvezető tulajdonságúak); - vezető polimerek. Polimerek: Az adalékolatlan polimerek vezetőképessége kicsi, az adalékoltaké nagy. A lehetséges vezetőképességek tartománya igen széles (10-1 - 10 2 ohm -1 cm -1, átfogja a szinte teljes félvezető - szigetelő tartományt). 6

POLIMER ALAPÚ GÁZÉRZÉKELŐK Vezető polimert, mint érzékelő-anyagot alkalmazó szenzor működési mechanizmusa: Az érzékelendő gázmolekulák ionos (néha kovalens) kötéssel megkötődnek a polimer vázszerkezetén, elektrontranszfer vezetőképesség megváltozik. Polimer alapú ammónia (NH 3 ) érzékelő karakterisztikái 7

POLIMER ALAPÚ GÁZÉRZÉKELŐK Kialakítása: mikromegmunkálás, elektródok közötti távolság kb. 10-20 m. Működés: normál hőmérsékleten (nem kell fűtőtest, így egyszerűbb az előállítás is). Elektronikus áramköre/interface: egyszerű, hordozható/kézi műszer könnyen építhető. Érzékelési küszöb: tipikusan 0,1 ppm. Normális működési tartomány: 10-100 ppm. Pl. CO esetén az egészségügyi határérték kb. mg/m 3 (kb. 10 ppm). (Kb. 500-1500 ppm (20 perc): hányinger, szédülés, fejfájás, kb.3000 ppm (5-10 perc): halál.) Hátrányok: - nehezen biztosítható a gyártás egyenletessége; - érzékeny a nedvességre. 8

FÉLVEZETŐ FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK: ÁLTALÁNOS ELVEK Félvezető és környező gázatmoszféra kölcsönhatása: - oxidáció; - redukció; - adszorpció; - anion csere. Lényeges gyakorlati követelmény a reverzibilitás. A félvezető gázérzékelőkben a domináns reakció a reverzibilis gázadszorbció. 9

FÉLVEZETŐ FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK: ÁLTALÁNOS ELVEK A gázérzékelők tipikusan oxigént is tartalmazó atmoszférában (pl. levegő) működnek, működési elvükből kifolyólag megemelt hőmérsékleten, ezért csak fém-oxid félvezetők jöhetnek számításba. A nemesfémek kivételével minden más anyag oxidálódik, azaz egy oxidréteg alakul ki a felületén, és így a felület lényegében oxiddá konvertálódik. 10

FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK p- és n-típusú fém-oxidban a gázadszorbció hatására megváltozik a vezetőképesség. 11

FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK p- és n-típusú fém-oxidban a gázadszorbció hatására megváltozik a vezetőképesség. Az n-típusú oxid előnyösebben alkalmazható, mivel az oxigén adszorbció növeli az ellenállást, míg a redukáló hatású gázok csökkentik azt (pl. CH 4, CO, H 2, etil-alkohol, izobután, stb.). Ekkor egyszerűbb a mérőáramkör, és maga a szenzor is jobban reprodukálható. A p-típusú oxidok levegőn instabilak. Két gyakran használt bináris oxid: SnO 2 és TiO 2. Az SnO 2 hibacentrumok által dominált félvezető, tiltott sávja kb. 3 ev. 12

Alkalmazás típusai: FÉM-OXID GÁZÉRZÉKLŐK 1. Különféle atmoszférák, az elsődlegesen érdekes komponens az oxigén (parciális nyomás). 2. Egyéb gázok érzékelése olyan gázkörnyezetben ahol az oxigén parciális nyomása rögzített. Domináns érzékelési mechanizmus a hőmérséklettől függ. Oxigén érzékelés: - magasabb hőmérsékleteken ( 700 o C) - alacsonyabb hőmérsékleteken (400-600 o C) Más gázok: - alacsonyabb hőmérsékleteken (300-500 o C) 13

FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK Reakciók az n-típusú fém-oxid felületén: 1. A levegőből oxigén adszorbeálódik a felületen, és ott disszociál és megkötődik O - ion formájában O 2 + 2e - 2O - a reakció elektronokat von el a félvezető oxidból, annak ellenállása tehát megnő. 14

FÉM-OXID GÁZÉRZÉKELŐK Reakciók az n-típusú fém-oxid felületén: 2. Ha redukáló (gyúlékony, éghető) gáz van jelen, pl. hidrogén, az reagál a felületen kötött oxigénionokkal vízképződés és elektron-felszabadulás kíséretében H 2 + O - H 2 O + e - minél nagyobb a H 2 koncentrációja (parciális nyomása) annál kisebb a felületi O - koncentráció, és annál nagyobb a félvezető oxidban az elektronkoncentráció, és így annál kisebb az ellenállása. 15

ÓN-DIOXID ALAPÚ GÁZÉRZÉKELŐK 16

ÓN-DIOXID ALAPÚ GÁZÉRZÉKELŐK Kereskedelmi forgalomban lévő ón-dioxid alapú gázérzékelők 17

SnO 2 ALAPÚ (TAGUCHI-) GÁZÉRZÉKELŐ Taguchi-típusú gázérzékelő felépítése. Kerámiacső, felületére leválasztott arany elektródákkal, kívül SnO 2 +Pd vastagréteg borítással, belül fűtőszállal. 18

SnO 2 VASTAGRÉTEG TECHNOLÓGIA Főbb lépések: - hidroxid készítése - kalcinálás (kiégetés) - katalizátor (Pd) hozzáadása - kötőanyag hozzáadása 19

VASTAGRÉTEG GÁZÉRZÉKELŐ FELÉPÍTÉSE Ellenállás mérés Kerámia hordozó. Vastagréteg technológiájú fűtőellenállás. Integrált vastagréteg termisztor (hőmérsékletszabályzás), amelyhez képest szimmetrikusan helyezkedik el az érzékelőellenállás. Fémszitával fedett nyílás. 20

VASTAGRÉTEG GÁZÉRZÉKLŐ JELLEGGÖRBÉI 21

SZELEKTIVITÁS Több, különböző típusú érzékelő együttes alkalmazásával. Alkalmazási példa: integrált érzékelő - szén-monoxid, - metán, és - etilalkohol-gőz koncentrációjának egyidejű mérésére. LaNO 3 WO 3 SnO 2 - csak alkoholgőz - alkoholgőz és szén-monoxid - mindhárom gáz Érzékenységek és keresztérzékenységek, P-os jelfeldolgozás 22

VASTAGRÉTEG GÁZÉRZÉKELŐ 23

VASTAGRÉTEG GÁZÉRZÉKELŐ 24

MÉRŐKAPCSOLÁS SnO 2 ÉRZÉKRLŐHÖZ Áram-feszültség átalakító, belső fűtés az állandó hőmérséklet biztosítására. 25

- SiN x membrán - interdigitalis elektródok a vezetőképességméréshez - fém-oxid érzékelő réteg, adalékolt SnO 2,, ZnO, WO 3-100-400 C a mikro-fűtőtest segítségével 26

T (oc) SiN membrane, Pt filament, TCR=1000ppm/ o C Pt filament SiN x 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 P (mw) 100 m

QMB ÉS SAW GÁZÉRZÉKELŐK A kvarc oszcillátor (tömbi akusztikus hullám, bulk acoustic wave, BAW) és az akusztikus felületi hullámú (AFH, surface acoustic wave, SAW) eszköz egyaránt használható tömegváltozás érzékelésére. Különböző részecskék megkötődése a felületen tömegváltozást és így frekvenciaváltozást eredményez. Ha a felületen adszorbens réteg van, akkor a kvarc mikromérleg vagy az AFH eszköz mint kémiai- vagy gázérzékelő funkcionál. 28

KVARC MIKROMÉRLEG GÁZÉRZÉKELŐ Tömbi akusztikus hullámú eszköz, síkkondenzátor jellegű szerkezet. f res = 2 v hang / d 29

KVARC MIKRO- ÉS NANOMÉRLEG Tömbi akusztikus hullámú eszköz, síkkondenzátor jellegű szerkezet. Kvarc mikromérleg 30

ÉRZÉKENYSÉG QMB tömegérzékenysége ( m - egységnyi felületre eső tömegváltozás) f S m = f o m n a félhullámok száma, d a kristálylapka vastagsága, d` az adszorbeált réteg vastagsága, és a megfelelő sűrűségek) f d `d` (1 + ) -1 -n f o n `d` d Mivel `d` = m, az érzékenység S m = - n/ d = - 2/ 31

ÉRZÉKENYSÉG Példa: Lapka tömege M = 100 mg, f o 5-10 MHz, legkisebb mérhető frekvencia-eltolódás f = 0,1-1 Hz, f/f = - M/M alapján becsülve a legkisebb detektálható abszorbeált gázmennyiség M = 10-20 ng. 32

SAW TÍPUSÚ SZENZOR Az AFH típusú érzékelőben egy szelektív gázadszorbens réteggel bevont és egy bevonat nélküli eszköz egy-egy RF oszcillátort alkot. Az abszorbeált gáz mennyiségétől függően megváltoznak a felületi akusztikus hullámok terjedési tulajdonságai (sebessége) és ez elhangolja az oszcillátort. A két oszcillátor jeléből egy keverővel a különbségi frekvenciával arányos jelet állítanak elő, mely egyben arányos az 33 érzékelőrétegen abszorbeált gáz mennyiségével.

AFH GÁZÉRZÉKELŐ SAW eszközök: tömbi: LiNbO 3, vékonyréteg: ZnO, AlN, PZT (PbZrO 3 -PbTiO 3 ). Vékonyréteg szilíciumon is integrálhatóság, smart devices 34

ÉRZÉKENYSÉG A relatív frekvenciaváltozás arányos az eszköz alapfrekvenciájával és természetesen az egységnyi felületre adszorbeált gáz tömegével, de ellentétben a QMB-al, független az eszköz saját tömegétől (mind a hullámterjedés és mind a szenzor működését meghatározó kölcsönhatás felületi jelenség). f/f = const x f m/a S m = ( f/f)/ m = const x f Az S m érzékenység növelhető az f működési frekvencia növelésével. 35

ÉRZÉKENYSÉG Példa: Pd-bevonattal ellátott hidrogénérzékelőben (a bevonat vastagsága néhány száz nm, mely kb. (5-15)-szöröse a felületen terjedő akusztikus hullámok hullámhosszának), a hidrogén-nitrogén gázelegyben lévő 1 ppm-nyi hidrogén az adszorbens réteg vastagságától függően (1-10)x10-6 relatív frekvenciaváltozást okoz, mely pl. már 100 MHz-es alapfrekvenciánál is jelentős mértékű, 0,1-1 khz frekvencia-eltolódást jelent. 36

LAMB-HULLÁMÚ ÉRZÉKELŐ 37

GÁZÉRZKELÉS LAMB-HULLÁMÚ (FPW) ESZKÖZZEL Érzékelő válaszjele toulol (szerves oldószer) gőzben nitrogén vivőgázban. Balra: referencia (IR spektrofotométer, jobbra: érzékelő frekvencia csökkenése. 38

Ón-dioxid (SnO 2 ), TGS GÁZÉRZÉKELŐ TÍPUSOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Általában jó az érzékenysége az éghető/robbanó (redukáló) gázokra, tipikus mérési tartományok 5-500 ppm. Ez a tartomány megfelel a legtöbb alkalmazási igénynek, pl. a hazai előírások szénmonoxid (CO) esetén 20 mg/m 3 (kb. 20 ppm) értékben limitálják a munkahelyen (egy műszak, max. 8 óra) megengedhető maximális koncentrációt. Vagy pl. 0,1 térfogat % propán levegőben (1000 ppm, ez az alsó robbanási határ kb. 1/20-ada) kb. 20-szoros ellenálláscsökkenést okoz. Áruk alacsony (tömeggyártás, kereskedelmi forgalom). Kéntartalmú gázok problémát okozhatnak, mivel irreverzibilisen megkötődnek. 39

GÁZÉRZÉKELŐ TÍPUSOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA QMB + polimer bevonat A szenzor válasza lineáris, dinamikus tartomány nagy. Nem (nagyon) függ a hőmérséklettől. Érzékenysége igen jó, a fenti képletekből is becsülhetően néhány nanogramm/cm2. Ez pl. adszorbeált víz esetén egy atom réteget, vagy akár annak törtrészét jelentheti. Az abszorbens réteggel "hangolható" adott gázra. Pl. SiOx abszorbens réteggel nedvességérzékelésre, palládium (Pd) bevonattal hidrogénérzékelésre használható. Az eszköz elkészítése MEMS processzálást igényel. A szükséges elektronika viszonylag bonyolult. Működési frekvenciatartomány 5-15 MHz. 40

GÁZÉRZÉKELŐ TÍPUSOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA AFH eszköz + adszorbeáló bevonat Működési frekvenciatartomány 100 MHz - 1 GHz. Előnye, hogy felületi effektuson alapul, planáris kialakítás és a félvezetőknél szokásos planáris technológia (pl. fotolitográfia) alkalmazható. Tömeggyártás, olcsóbb, mint a QMB. Hátrány, a nagy felület/térfogat arány, emiatt zajosabb (az elektronikus zajok nagyrészt felületi eredetűek). A szükséges elektronika bonyolult. 41

PELLISZTOR KALORIMETRIKUS GÁZÉRZÉKLÉS Az érékelés alapelve: a környezeti hatás által előidézett hőmérséklet-különbség mérése. Környezeti hatás: hőközlés, hőelvonás, vagy a hőelvezetési viszonyok megváltozása. Hatások pl.: endo- vagy exoterm kémiai reakció; hősugárzás vagy más sugárzás hőhatása; hőáram vagy áramló közeg hőszállítása. Működtetés: általában a környezettől eltérő, stabilizált hőmérsékleten (fűtés vagy hűtés szükséges). 42

KALORIMETRIKUS ÉRZÉKELŐK katalitikus bevonat Kalorimetrikus érzékelők elvi felépítése. Pt-ellenállás: fűtés és érzékelés. A katalitikus bevonat elindítja a mérendő komponens kémiai reakcióját: hőtermelés vagy hőelvonás. 43

KALORIMETRIKUS ÉRZÉKELŐK Működési módok: Adiabatikus működési mód: A két fűtőteljesítmény megegyezik, a hőmérsékletkülönbséget detektálják. Izotermikus működési mód: az érzékelő elem fűtőteljesítményét változtatják míg a hőmérséklete meg nem egyezik a referenciaelemével. A fűtőteljesítmény változását detektálják. 44

PELLISZTOR Pellisztor: éghető gázok katalizált oxidációja során felszabaduló hő mérése Katalizátorok: Pt fémek VIII/2: Rh (d8s1), Ir (d7s2), Pd (d10), Pt (d8s2) O2, H2, szénhidrogén kemiszorpció, magas T - instabil felületi oxidok 45

PELLISZTOR 46

ÉRZÉKELŐ KARAKTERISZTIKÁJA 47

Pellistor (EU FP5, SAFEGAS ) Heterogen catalysis, exoterm reaction (elevated T) - measuring of the generated heat (T) (Wheastone-bridge) Requirements - reduced heat dissipation - sensitivity from 20% LEL - methane, propane-butane, hexane - explosion proof operation Test-chip: - array of 6 - chip size: 2 3 mm 2

Si MEMS PELLISTOR Az éghető gázok kimutatása az exotherm katalitikus oxidáció során keletkező hő közvetett mérésével, azaz a fűtőszál hőmérsékletemelkedésének meghatározása révén válik lehetővé. Ehhez azonban a katalízist a pellisztor elem felületén kell megvalósítani. Metán esetében ehhez Pt katalizátorral, melyet a mikrofűtőtest felületét borító porózus kerámiabevonat felületén lévő szemcsék formájában alakítunk ki >450 C hőmérsékletre van szükség. Az érzékelő elem hőmérésékletét egy azonos felépítésű és meghajtású, de katalitikusan inaktív elem hőmérsékletével összehasonlítva az eltérés az elégetett gáz koncentrációjával arányos többnyire lineáris módon. A mikropellisztor érzékenysége ugyanakkor nem korlátozható egyetlen gázkomponensre, azaz az érzékelés korántsem szelektív. 49

Si MEMS PELLISTOR SEM views of the suspended hotplates with deposited porous matrix activated by Pt (Al 2 O 3 + kaolin). The reference element is similarly coated by chemically passive porous matrix 50

Az MFA pórusos szilícium mikrogépészeti eljárásával készült felfüggesztett, azaz termikusan szigetelt, egykristályos Si mikrofűtőtestek Pt-kontaktusokkal 51

PELLISZTOR KARAKTERISZTIKÁI 52

Si MEMS PELLISTOR Ha a pellisztor-elemeket különböző katalizátorokkal, eltérıő hőmérsékleten működtetjük, adott éghető gázok jelenlétében az önmagukban nem szelektív érzékelő elemek eltérő érzékenységet mutatnak. Ezt az alapja az ún. elektronikus orr elvnek. Ha néhány egyedi elemnek az adott gázelegyekkel történő hitelesítése során regisztrált egyedi karakterisztikus válaszjeleket főkomponens analízisnek vetjük alá ill. egy megfelelően betanított ún. neurális hálózattal értékeljük ki, a nem szelektív elemekkel is kapható megbízható, jó közelítés az elégetett gázelegyben lévő ismert komponensek koncentrációjára vonatkozóan. 53

Si MEMS PELLISTOR Az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet ipari partnere, a Weszta-T Kft. Gázveszély-jelző éghető gázra termékével a Magyar Regula ipari informatikai és irányítástechnikai nemzetközi szakvásáron 2007. áprilisában elnyerte az azévi Technika Innovációs Érem kitüntetést, a Technika Alapítvány díját Pungor Ernő akadémikus adta át Sztancsik István ügyvezető igazgatónak. 54

Si MEMS PELLISTOR 55

OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK A legtöbb gáz rendelkezi jellegzetes elnyelési sávokkal a közeli infravörös (NIR, 1100-1700 nm), és/illetve a közepes infravörös (MIR, 1500-4500 nm). Egyszerű mérés/érzékelés valósítható meg megfelelő hullámhosszúságú fényt kibocsátó fénydiódával (LED) vagy lézerdiódával (LD). A módszer különböző gázok illetve gőzök kimutatására alkalmas, a megfelelő elnyelési sávoknál elvégzett méréssel. 56

AZ INFRAVÖRÖS SPEKTRUM ÉS AZ ÉRZÉKELÉSRE ALKALMAS FÉLVEZETŐK Hullámsáv Hullámhossz Detektor Near-infrared (NIR) 0,75-1,4 μm Si (IR-A DIN) Short-wave IR (SWIR) 1,4-3 μm (ezen belül 1530-1560 nm, nagytávolságú optikai átvitel) InGaAs (IR-B DIN) Mid-wave IR (MWIR) 3-8 μm InSb, HgCdTe, PbSe (IR-C DIN) Long-wave IR (LWIR) 8-15 μm HgCdTe (IR-C DIN) Far-infrared (FIR) 15-1000 μm adalékolt Si, Ge 57

FÉNYFORRÁSOK Félvezető Hullámhossz (nm) GaAs LED, LD 830 InGaAsP/InP LED, LD 1100-1700 InGaAsSb/GaSb LED 1700-2400 58

InGaAsP/InP LED Emission wavelength tailoring by bandgap engineering in compound semiconductor diodes 9-diode LED set covering emission in 1.1 to 1.8 m range 59

LED-ARRAY SPEKTROMÉTER 60

ABSZORPCIÓS SÁVOK A szénhidrogének abszorpciós sávjai a közeli infravörös tartományban 61

ABSZORPCIÓS SÁVOK Alifás, aromás és telítetlen szénhidrogének jellemző elnyelési sávjai az 1700 nm körüli hullámhossztartományban 62

ALKALAMZÁSOK 63

MIR KÖZEPES INFRAVÖRÖS HULLÁMHOSSZAK High power LEDs and photodiodes at the spectral range of 1.6-4.6 m are very promising devises for the different applications such as medical diagnostics (noninvasive method for measuring glucose in blood) environment monitoring (measuring contents of oil in water, measuring contents of water in oil) and so on. A number of such relevant gases as H 2 O, CO 2, CO, CH 4, N 2 O, SO 2, NH 3, HF and others have strong fundamental absorption lines in the mid-infrared spectral range that are 50-500 times stronger in comparison with near-infrared overtone bands at shorter wavelength. Therefore such mid-infrared LEDs and PDs can be used for creation of optical low power consumption portable gas analyzers. 64

Absorption bands of gases in the range 1.6-5.0 m In Mid Infrared spectral range 1600-5000 nm lies strong absorption bands of such important gases and liquids as CH4, H2O, CO2, CO, C2H2, C2H4, C2H6, CH3Cl, HCl, HOCl, HBr, H2S, HCN, NH3, NO2, SO2, glucose and many others. CH 4 1,E-19 H2 O 1,E-20 1,0E-17 1,E-21 1,E-22 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Wavelength, nm Absorption intensity, cm/mol 1,E-17 CO2 1,E-18 Absorption intensity, cm/mol Absorption intensity, cm/mol 1,E-18 1,0E-18 1,0E-19 1,0E-20 1,0E-21 1,0E-22 1,E-19 1500 1,E-20 1,E-21 1,E-22 1,E-23 1,E-24 1,E-25 1,E-26 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Wavelength, m 2000 2500 3000 Wavelength, nm 3500 4000

MIR LED ÉS DETEKTOR DIÓDÁK Narrow band gap solid solutions based on III-V compounds (GaSb-InAs, GaSb-AlSb) are an attractive material for use in light emitting diodes (LED) operating at the spectral range 1.6-4.6 m. Energy band gap for this spectral range changes at the interval from 0.7 up to 0.5 ev that allows to use simple bulk double heterostructure for LEDs and PDs operating in room temperature. 66

Eg, ev Materials for Mid Infrared LED 2,5 2 1,5 GaAs AlAs InP AlSb 1 GaSb 0,5 InAs InSb 0 5,6 5,8 6 6,2 6,4 6,6 lattice constant, A

Intensity, a.u. LED Structure for the Spectral Range 1.6-2.4 mm 20 Lattice-matched to GaSb substrate LED structures. Energy band diagram of the structures for spectral ranges 1.65 2.35 mm is schematized here. 0 18 16 14 12 10 8 6 4 2 LED16 LED17 LED18 LED19 LED20 LED21 LED22 LED23 AlGaAsSb 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 Wavelength, nm p P n N GaSb GaInAsSb

LED Structure for the Spectral Range 2.7-5.0 m Light Emitting Diodes for the spectral range 2.7-5.0 mm are based on InAs substrates. Quaternary solid solutions InAsSbP, lattice-matched to InAs substrate are used in active layer for the range 2.7-3.3 mm. p InAs P InAsSbP n InAsSb N Ternary solid solutions InAsSb are used for covering the spectral range 3.6-5.0 mm.

Detectivity, cm.hz 1/2 /W Mid Infrared Photodiodes MIR photodiodes are based on heterostructures with wide band-gap window. PD24 and PD25 models are based on GaInAsSb/GaAlAsSb structure, PD36 is based on InAs/InAsSbP structure, with thermocooler inside and can be equipped with the parabolic reflector. Here are presented curves of detectivity vs wavelength at room temperature. With decreasing temperature (using thermo-electric cooler) detectivity increases and cut-off wavelength shifts to shorter wavelengths. 1,E+11 1,E+10 1,E+09 PD24 PD25 PD36 1,E+08 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3 Wavelength, m

Current Driver Application of MIR LED and PD in Gas Sensors Optical sensors are the only ones, which are truly gas specific. But up to now wide aplication of portable gas sensors is limited by imperfections of incadescent lamp IR with filters. They have poor spectral efficiency, low operation speed, large sensor size because of complicated optical scheme and high heat dissipation. Preamplifier Analog digital converter Processor /Display NEW mid infrared sources for gas sensors- Mid-IR LEDs cover all spectral range 1.6-5.0 mm. This light source is much smaller, high speed, with low power consumption and don't need filters. Measuring LED CO2 PD LED36 PD LED43 CO 2 Reference LED 5mm

Absorption intensity, cm/mol Absorption intensity, cm/mol Light Emitting Diodes and Detectors for CH 4 Sensors Methane has main absorption band in the range 3200-3400 nm. Other not so strong absorption bands that can be used for measuring are placed around 2300 nm and 1650 nm. LED3 4 CH 3,E-19 3,E-19 2,E-19 2,E-19 CH 4 - main absorption band H 2 O abs. CH4 absorption LED34 spectrum LED27 4 PD36 1,E-19 5,E-20 LED27 spectrum 0,E+00 PD36 spectrum 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Wavelength, nm 1,0E-20 9,0E-21 8,0E-21 7,0E-21 6,0E-21 5,0E-21 4,0E-21 3,0E-21 2,0E-21 1,0E-21 0,0E+00 CH 4 - second and third absorption bands CH4 absorption LED23 spectrum LED19 spectrum PD25 spectrum LED16 1500 2000 2500 3000 spectrum LED23 LED1 9 LED1 6 CH 4 PD25 Wavelength, nm

Absorption intensity, cm/mol Absorption intensity, cm/mol Light Emitting Diodes and Detectors for H 2 O Sensors Water has very strong absorption band in the range 2550-2750 nm and second strong enough absorption band in the range 1830-1900 nm. H 2 O - second absorption band 5,0E-20 H2O 4,5E-20 absorption 4,0E-20 LED21 3,5E-20 spectrum 3,0E-20 LED18 spectrum 2,5E-20 PD24 2,0E-20 spectrum 1,5E-20 LED16 1,0E-20 spectrum 5,0E-21 0,0E+00 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 Wavelength, nm LED18 LED16 or LED21 H 2 O PD24 4,0E-19 3,5E-19 3,0E-19 2,5E-19 2,0E-19 H 2 O - main absorption band H2O absorption LED27 spectrum 1,5E-19 LED34 1,0E-19 spectrum 5,0E-20 0,0E+00 PD36 spectrum 2000 2500 3000 3500 4000 4500 LED27 LED34 H 2 O PD3 6 Wavelength, nm

Absorption intensity, cm/mol Light Emitting Diodes and Detectors for CO 2 Sensors 4,E-18 3,E-18 2,E-18 СО2 absorption LED43 spectrum LED36 spectrum PR43 spectrum LED43 CO2 1,E-18 PR46 1,E-19 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 LED36 Wavelength, nm Carbon dioxide has very strong absorption band in the range 4200-4320 nm. Other not so strong absorption bands that can be used are placed around 2700 nm and 2000 nm.

Kémiai érzékelőkben alkalmazott jelátalakitási elvek és jellegzetes alkalmazások 75