سنسورها
Chemical, Biomedical, Mechanical, and Sonar Sensors
سنسورها محلی است برای تبادل نظر، ارائه تجربیات، پرداختن به مقالات و موضوعاتی که به سنسورها مربوط است. سعی کرده ام از تجربیات شخصی خودم در اینباره نوشته و به همه انواع سنسورها بپردازم، اگرچه موضوع مورد علاقه من در دنیای سنسورها، سنسورهای شیمیایی و بیومدیکال است. از پیشنهاد شما خواننده محترم استقبال میکنم. پیشنهاد، سوال و درخواست خویش را به ایمیل وبلاگ ارسال کنید.
بنام خـــــــــــدا
فلوسنسور یا سنسوردِبی یا سنسور جریان سیال وسیله ای است که میزان جریان مایع را حس میکند. اساس کار فلومترها و فلولاگرها برای ثبت جریان سیال بر پایه فلوسنسورها استوار است. بعضی از فلوسنسورها شامل پرهای هستند که با عبور جریان سیال میچرخد و در انواع دیگر حرکت سیال باعث چرخش یک پتانسیومتر یا ابزاری مشابه آن میشود. در میکروسنسورهای جریان سیال یا فلومیکروسنسور، حرکت سیال باعث تغییر دما در بدنه سنسور شده و تشخیص میزان حرکت سیال در این میکروفلوسنسورها براساس انتقال حرارت صورت میگیرد. در حقیقت این سنسورها در زمره حسگرهایی بشمار میروند که سرعت سنج نامیده میشوند با این تفاوت که سرعت سیالی را که از درون آنها میگذرد را میسنجند. برای اندازهگیری جابجایی یا فلوی گازها معمولاً از روشهای تداخل سنجی براساس اندازهگیری طول موج استفاده میشود که نسبت به اندازه گیری فلوی مایعات بسیار پیچیدهتر است. روشهای دیگر اندازهگیری فلوی مایعات شامل روش "داپلر" ، "اثرهال"، و " فلومترهای مغناطیسی" و ... میشوند.
واحد اندازه گیری فلو، واحد حجم بر واحد زمان یا واحد جرم بر واحدزمان می باشد، مثلاً مترمکعب بر ثانیه یا کیلوگرم بر ثانیه. باید توجه داشت که دو نوع فلوی مایعات وجود دارد: فلوی حجمی یا Volumetric و فلوی جرمی یا Mass Flow که اولی بر اساس واحدحجم بر زمان و دومی بر حسب واحدجرم بر زمان اندازه گیری میشود.
علاوه بر شرکتهای آب که بیشترین مورد استفاده از فلومترها را بخود اختصاص میدهند، فلومترها درسایر صنایع از جمله پزشکی کاربردهای زیادی دارند. ریههای بیمارانی که مشکل تنگی نفس و آسم دارند توسط میکروفلومترها چک میشود. در این نوع فلوسنسور یک جسم شناور درون یک سیلندر کالیبره شده قرار دارد. اندازهگیری فلوی ریه بیمار با جابجا شدن جسم شناور درون سیلندر که معمولاً با مایعی پر شده است صورت میپذیرد. فلومترها در صنایع غذایی و دارویی نیز استفاده میشوند.
بنام خـــــــــــدا
تکنولوژی جدید بکارگرفته شده در سنسورهای تصویر این امکان را در آینده فراهم میکند که دوربین تلفنهای همراه عکسهایی با کیفیت بسیار بالا نظیر مراسم عروسی بگیرند. برای این منظور شرکت InVisage Technology در کالیفرنیا سنسور تصویری را با نیمه هادی "کوانتوم دات" Quantum Dots بجای سیلیکون ارتقاء داده است و مدعی شده که کیفیت تصاویر گرفته شده توسط دوربین با این سنسور تا چهاربرابر افزایش میآبد.
بیشتر دوربینهای امروزی یا از سنسور CCD (Charged-Coupled Device) و یا از سنسورهای برپایه تکنولوژیCMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) برای ثبت تصاویر بهره میگیرند. سیلیکون بکارگرفته شده در سنسورهای تصویر امروزی دارای راندمان جذب نور درحدود 50% میباشد. کاهش راندمان بواسطه لایه های هادی مس و آلومینیوم بکاررفته در مدارالکترونیکی روی سطح سیلیکون ایجاد میشود. فلز موجود در سطح باعث بلوکه شدن نور میشود، بطوریکه تنها کسری از یک سنسور سیلیکون در معرض تابش نور قرار میگیرد.
جایگزین کردن سیلیکون با کوانتوم داتها همه چیز را تغییر میدهد. یک کوانتوم دات عبارتست از نانوکریستالی که از کلاس ویژه ایی از نیمه هادیها ساخته شده است. کوانتوم داتها به سازندگان قطعات الکترونیکی این امکان را میدهد تا درجه ی بالایی از کنترل روی خواص رسانایی و تا حدود 90درصدِ راندمان جذب نور آن را داشته باشند.
تفاوت لایه گذاری در سنسورتصویر معمولی و کوانتوم داتی
علاوه بر بیشترکردن حساسیت، شرکت InVisage، بخش الکترونیکی قطعه را در لایه های زیرین فیلم کوانتوم قرار داده است، جاییکه باعث بلوکه کردن نور نشوند.
کوانتوم داتها را علاوه بر سیلیکون میتوان از ترکیبات باینری تلریوم یا سولفیدها ساخت. شرکت InVisage دقیقاً مشخص نکرده که از چه ماده ای برای ساخت سنسور کوانتوم داتی خود استفاده کرده است.
برخلاف باندفاصله (Band Gap) غیرمستقیم سیلیکون، کوانتوم داتها باندفاصله مستقیمی دارند که باعث میشود حساسیت بیشتری به نورمرئی، ماوراءبنفش و حتی امواج مادون قرمز داشته باشند.
در سالهای اخیر، سازندگان دوربینهای عکاسی با بالاتربردن مگاپیکسل دوربین بعنوان مهمترین قابلیت، مشتریها را جذب خود میکردند. اما واقعیت این است که میزان کیفیت یک تصویر بیشتر به اندازه سنسور بکاررفته در آن بستگی دارد تا به مگاپیکسل دوربین.
برای دریافت نور، سنسورهای تصویر به حداکثر فضای ممکن نیاز دارند. دوربینهای قدرتمند DSLR سنسور تصویری دارند که در حدود یک سوم یک کارت اعتباری است، در حالیکه اندازه این سنسور در دوربینهای تلفن همراه کمتر از یک چهارم اینچ است (تصویر زیر). سنسور کوچکتر بمفهوم حساسیت کمتر هر پیکسل سنسور به نور است که منجر به کیفیت پایینتر تصویر میشود.
تفاوت اندازه سنسور تصویر در دوربین تلفن همراه و دوربین قدرتمندDSLR
بنا به گفته مدیر فروش شرکت InVisage سنسورهای تصویر براساس کوانتوم دات خیلی از سنسورهای CMOSگرانتر نخواهند بود: "در حال حاضر چند نمونه در دست ساخت داریم که تا پایان امسال کار ساخت آنها به اتمام خواهد رسید تا در اختیار سازندگان تلفن همراه قرار گیرد و سنسورها تا اواسط سال دیگر درون تلفن همراه جاسازی خواهند شد."
بنام خــــدا
سنسور گشتاور
سنسور یا ترنسدیوسر گشتاور وسیلهای است برای تبدیل، اندازهگیری و ثبت گشتاور سیستمهای گردنده مثل میللنگ موتور یا شفتژنراتور و ... دو مدل گشتاور بنام گشتاور استاتیکی و گشتاور دینامیکی وجود دارد. اندازهگیری گشتاور استاتیکی بطور نسبی ساده است اما اندازگیری گشتاور دینامیکی بدلیل اینکه نیاز به انتقال اثراتی مثل مغناطیس و الکتریسیته از شفت تحتاندازهگیری به یک سیستم استاتیک دارد بمراتب مشکلتر است.
معمولاً سنسورهایی که بعنوان سنسور گشتاور بکار میروند از نوع استرینگیج Strain Gage اند که روی شفت در حال چرخش سوار میشوند. به دلیل اینکه سنسور نیاز به تغذیه دارد و در ضمن سیگنال خروجی هم بایستی قرائت شود، اندازهگیری گشتاور دینامیک کمی مشکلتر میشود. برای اینکار معمولاً در سیستمهای قدیمیتر از رینگهای لغزنده حلقوی استفاده میشد که در سیستمهای نو از سنسورهای وایرلس بخصوص تکنولوژی پیزوالکتریک استفاده میشود. بعلاوه با کمک روشهای ارسال وایرلس، اکنون حتی ADCها و رکوردرها را هم میتوان روی شفت قرار داد و دقت اندازهگیری را به میزان بالایی افزایش داد.
سنجش گشتاور با تکنیک پیزواکتریک بر اساس SAW و BAW قرار دارد. یکی از کاربردهای سنسور گشتاور در موتور اتومبیل منجر به کاهش مصرف سوخت میشود که میتوانید آنرا در این مقاله مشاهده کنید. برای اینکه در مورد سنسورهای بر اساس اثر SAW بیشتر بدانید نخست باید کمی در مورد تئوری امواج Rayleigh یا تئوری Surface Acoustic Wave مطالعه کنید. فرض کنید دو عدد شانهی سر را طوری در هم فرو کنید که دندانههای آنها هیچ تماسی با هم نداشته باشند. در اینحالت شما ساختاری را درست کردهاید که به آن اصطلاحاً مبدل اینتردیجیتال یا Interdigital Transducer یا IDT میگویند. اکنون اگر این ساختار را با مادهای مناسب روی یک زیرلایه از جنس پیزوالکتریک (مثلاً کوارتز) پیاده کنید و به دو سر آن یک ولتاژ ac با فرکانسی مشخص اعمال کنید، در سطح مادهی زیرلایه موجی سطحی منتشر خواهد شد که به آن SAW میگویند. اگر در طرف دیگر زیرلایه یک ساختار IDT دیگر داشته باشیم، پس از تولید موج سطحی توسط IDT اول (که به آن Input IDT) میگویند، دو سر IDT دوم ولتاژی ایجاد خواهد شد که فرکانس آن با فرکانس موج ورودی در شرایط نرمال که هیچ اثر مکانیکی از خارج بر زیرلایه وارد نشده است تقریباً یکی است. اما با اعمال کمیتی نظیر فشار یا استرس یا دما و .... بر زیر لایه، فرکانس موج سطحی دو سر IDT خروجی با فرکانس تولیدی در IDT اول متناسب با تغییر مکانیکی اعمال شده (که آنرا در قالب تغییرات جرم یا Mass Loading میشناسیم) تغییر خواهد کرد. فرکانس تولیدی در IDT اول بسته به فاصله دندانههای شانهای شکل آن از یکدیگر، شکل و طول آنها در راستای عمود بر سطح دندانهها در سطح زیرلایه منتشر میشود (به علاقمندان سنسورهای برپایه SAW توصیه میکنم حتماً این فایل پیدیاف از سلسله فایلهای آموزشی IEEE بخش UFFC را دانلود کنند).
اما برای اندازهگیری گشتاور یک شفت با SAW، دو عدد رزوناتور SAW را بصورت نصف پل (Half-Bridge) بهم متصل و روی شفت با زاویه 45 درجه نسبت به محور شفت محکم میبندند (شکل یک).
شکل یک: ساختار سنسور برای اندازهگیری گشتاور (با تشکر از پروفسورLeonhard M. Reindl و دانشگاه Clausthal University of Technology)
اکنون با اعمال یک موج RF (معمولاً 200 مگاهرتزی) بصورت وایرلس به SAW، در طرف دیگر آن بسته به میزان دوران و گشتاور اعمال شده از شفت به SAW بعنوان اثربار، فرکانس موج دریافتی تا یک مگاهرتز تغییر خواهد کرد. بر این مبنا، گشتاور اندازهگیری شده میتواند تا دقتی معادل 1ppm داشته باشد. این تکنیک توسط کمپانی سنسورتکنولوژی بکارگرفته شده و حاصل آن در شکل دو خلاصه شده است. برای اطلاعات بیشتر درباره عملکرد این سیستم به وبسایت شرکت سنسور تکنولوژی در اینجا مراجعه کنید.
شکل دو: سیستم کامپکت شده اندازهگیری گشتاور با کمک SAW از سنسورتکنولوژی (با تشکر از پروفسور Leonhard M. Reindl و دانشگاه Clausthal University of Technology)
بنام خــــدا
سنسورهای نم و رطوبت
سنسورهای مقاومتی نقطه شبنمDewpoint مانند سنسورهای رطوبت Humidity و نم Moisture در زمره سنسورهای شیمیایی محسوب شده واغلب بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم یا نازک ساخته میشوند. این سنسورها براساس میزان بخار آب جذب شده در لایه متخلخل غیررسانایی که بین دو لایه رسانا بصورت ساندویچ درآمده و برروی یک زیرلایه سرامیکی قرار دارد کار میکنند. در این حالت ظرفیت خازنی بین دو صفحه با توجه به میزان رطوبت محیط تغییر میکند. در حالتی که تغییرات مقاومتی سنسور مد نظر باشد لایه متخلخل روی ساختاری الکترود شکل (IDT) قرار داده میشود و در نتیجه سنسور به سرعت به تغییرات نم موجود در لایه متخلخل واکنش نشان داده و مقاومت بین دو لایه رسانا را تغییر میدهد (مقاله ای از ساینس دایرکت در مورد سنسور رطوبت مقاومتی با ماده متخلخل از جنس ZnCr2O4-LiZnVO4 را از اینجا دانلود کنید).
فایده اصلی تکنیک فیلم ضخیم سادگی، ارزانی، قابلیت ساخت سیستم الکترونیکی بهمراه سنسور، و امکان توسعه مواد با خواص الکتریکی متفاوت مانند پیزورزیستیو، پیزوالکتریک، مگنتورزیستیو، ترموالکتریک، و پیروالکتریک و ... برروی سابستریت یا زیر لایه است.
بطور کلی سه گروه از مواد برای ساخت سنسورهای نم و رطوبت استفاده میشوند: الکترولیتها، پلیمرهای ارگانیکی، و سرامیکها. سنسورهای تجاری رطوبت اغلب از فیلمهای پلیمری و سرامیکهای متخلخل ساخته میشوند. از طرفی سنسورهای پلیمری رطوبت و نم از مشکلات هیسترزیس، زمان پاسخ آهسته، رانش و افت در پاسخ بویژه هنگام تماس طولانی مدت با بعضی از حلالها رنج میبرند.
با توجه به اینکه سنسورهای رطوبت و نم از خانواده سنسورهای شیمیایی می باشند، مکانیزم حسگری در این سنسورها نیز وابسته به خواص bulk و سطح ماده سرامیکی دارد. خواص الکتریکی و حساسیت سنسور در نهایت توسط میزان تخلخل، متوسط اندازه ذرات ماده حساس به رطوبت، فاصله دو لایه رسانه، ابعاد سنسور و ... تعیین میشود.
بنــــــــــام خـــــدا
سنسورهای شیمیایی فیبر نوری یا بطورخلاصه FOCS در انواع بسیار مختلفی ارائه میشوند که میتوانند غلظت نمونه های بیولوژیک طبیعی یا دارای بارالکتریکی را اندازه بگیرند. یکی از مهمترین سنسورهای شیمی تجزیه سنسور pH است، دراینجا عملکرد این سنسور FOCS را مورد بررسی قرار میدهیم.
این سنسور شامل سه بخش اصلی است: منبع نور، اُپترود، و دتکتور. قسمت اصلی سنسور در واقع اُپترود است که شامل نشانگری است که تغییرات خواص نوری آن وابسته به ماده مورد تجزیه (آنالیت) است. در اغلب موارد، بکارگیری نشانگر ضروری است چونکه آنالیت بخودی خود تغییرات صورت درگرفته در نوربازتابیده را نشان نمی دهد. نشانگر میتواند بسته به نوع کاربرد عوض شود، مثل نشانگر شدت فلورسانس یا نشانگر شدت جذب نور. برای داشتن بیشترین دامنه حساسیت، طول موج منبع نور با طول موج نشانگر یکی انتخاب میشود. بخش دتکتور که معمولاً یک فوتودیود یا PMT است، سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی برای پردازش در مرحله بعد تبدیل میکند. شکل زیر (یک) عملکرد کلی یک سنسور pH براساس جذب نوری را نشان میدهد (برای مشاهده عملکرد یک PMT به اینجا بروید یا از این لینک بازدید کنید).
شکل یک: نمایش عملکرد سنسور pH براساس نشانگر جذب نور
پالسهای نور توسط یک LED کوپل شده به فیبرنوری به یک غشای (membrane) حساس به pH فرستاده میشود (دیود پایینی در شکل زیر). غشای حساس مقدار جذب شوندگی نور را (یا به عبارت بهتر رنگ آنرا) متناسب با میزان pH تغییر میدهد. اگر میزان نور جذب شده خیلی کم باشد نور تقریباً با همان طیف ارسال شده مجدداً به فوتودیود (دیود بالایی) بازمیگردد. وقتی pH نمونه تغییر کند جذب نور غشا حساس افزایش یافته در نتیجه شدت پالس برگشتی کمتر میشود (شکل دو).
شکل دو: تغییر در pH محلول باعث تغییر شدت پالس برگشتی میشود.
نور معمولاً بصورت موج مربعی مدوله میشود تا از اثرات نور محیط روی اندازهگیری حذف شده و میزان سیگنال به نویز سیستم افزایش یابد.
سنسورهای اُپترود بعلاوه میتوانند براساس بکارگیری نشانگر فلورسانس ایموبلیز شده (immobilized) در غشای سنسور ساخته شوند. در این حالت منبع نور فلورسانس مولکولهای نشانگر را تهییج میکند تا نوری با طول موج متفاوت را منتشر سازند (شکل سه). در این حالت ماده تحت آنالیز (آنالیت) میتواند برروی شدت تشعشع فلورسانس، که دامنهی متفاوتی نسبت به پالسهای برگشتی دارد، تاثیر گذارد (شکل چهار).
شکل سه: اُپترود براساس نشانگر فلورسانس
شکل چهار: تغییر pH محیط در سنسور شکل سه
بنــــــــــــام خدا
اُپتود یا اُپتــرُد Optode / Optrode سنسوری است که توسط تشعشع نور خواص ماده ای مشخص را بکمک مبدلی شیمیایی می سنجد. یک اپتود برای اینکه کار کند نیاز به سه مولفه دارد: یک ماده شیمیایی که به آنالیت پاسخ میدهد، یک پلیمر برای ایموبلیز (ثابت) کردن مبدل شیمیایی، و دست آخر تجهیزاتی مانند فیبر نوری، منبع نور، آشکارساز و سایر تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز.
اپتودها معمولاً شامل ماتریس پلیمریی هستند که روی سر فیبر نوری پوشانده میشود ولی در مورد اپتودهای موج محو شونده و ناپایدار، پلیمر روی بخشی از فیبر که بدون روکش است پوشانده میشود.
تعریف موج محوشونده: این موج یک موج ایستای میدان نزدیک است که شدت آن با فاصله از لبه ای که موج در آن ایجاد شده است بصورت نمایی کاهش میآبد.
اپتودها مدلهای اندازه گیری نوری مختلفی مانند انعکاس، جذب، موج محوشونده، لومینانس (فلورسانس، فسفرسانس)، نورتابی شیمیایی (chemiluminescence)، رزونانس سطحی پلاسمون surface plasmon resonance را بکار میبرند. معروفترین متد بکاررفته در اپتودها استفاده از لومینانس است.
لومینانس در حلال از رابطه خطی استرن-وُلمر Stern-Volmer پیروی میکند. فلورسنس یک مولکول توسط آنالیتهای معینی خاموش میشود، مثلاً فلورسنس ترکیبات روتنیوم توسط اکسیــــژن حذف میشود. وقتی فسفر درون ماتریس پلیمری ایموبلیز (بی تحرک) میشود ریزمحیطهای بیشماری را ایجاد میکند. این ریزمحیطها تغییرات ضرائب نفوذ آنالیت را منعکس میکنند. اینکار منجر به ایجاد یک رابطه غیر خطی بین فلورسنس و خاموشگر (آنالیت) میشود. این رابطه با روشهای زیادی مدل میشود و معروفترین آنها مدل دو مکانی جیمز دیماس (Two Site Model, James Demas) از دانشگاه ویرجینیا است.
سیگنال فلورسنس به نسبت اکسیژن خطی نیست و اُپتود بیشترین حساسیت را در غلظت پایین اکسیژن دارد، به بیان دیگر حساسیت با افزایش غلظت اکسیژن کاهش میآبد. در هر صورت سنسورهای اُپتود در تمام ناحیه 0 تا 100 درصدی اکسیژن حل شده در آب کار میکنند.
اُپتو سنسورها با توجه به قیمت بسیار پایین، توان بسیار کم، و پایداری طولانی مدت رشد بسیار سریعی داشته و از محبوبیت بسیار زیادی برخوردارند. این سنسورها قابلیتهای بیشتری نسبت به سنسورهای برپایه الکترود و تجهیزات تحلیلی پیچیده تر از خود نشان میدهند و بازار قابل توجهی را بخود اختصاص داده اند.
اُپتود اکنون بعنوان بهترین تکنیک ساخت بیوسنسورها شناخته میشوند.
بنــــــــــــام خدا
آخرین اخبار از دنیای سنسورها
دوم دسامبر 2009:
شرکت ابزاردقیق دایترن دو مدل جدید سنسور شتاب را روانه بازار کرد. مدلهای 3200BM و 3200BT سری جدید شتابسنجهای کریستال – شوک هستند که شوک مکانیکی تا دامنه صدهزار شتاب ثقل جاذبه (100,000 g) را اندازه میگیرند. آی سی تقویت کننده داخلی سیگنالهای ولتاژ امپدانس بالای ناشی از کریستالهای کوارتز را به امپدانس خیلی پایینتر تبدیل میکند و اجازه میدهد تا این وسیله به سیمهای بلندی مجهز شود. این سنسور برای اتصال نیاز به یک کابل 10-32 کواکسیال در سر دارد و برای نصب از سرپیچ M6 در مدل BM و سر پیچ 10-32 در مدل BT بهره میبرد. وزن این سنسور تنها 6 گرم است. مدل قبلی (3200B) مجهز به سرپیچ 1/4-32 برای نصب و کانکتور 10-32 بود.
اول دسامبر 2009:
شرکت Measurement Specialist پرابهای سنسور حرارتی با قطر کوچک و پاسخ سریعی را ارائه کرده است که در مکانهای بسیار محدود و محصور قابل استفاده است. پرابهای قابل استفاده در صنایع حرارتی، برودتی، و تهویه این شرکت دارای پاسخی کمتر از یک ثانیه در دمای بین – 40 تا + 125 درجه سانتیگراد است. این سنسورها از یک ترمیستور با ضریب حرارتی منفی (NTC) لحیم شده به یک کابل که درون لایه نازکی از یک فیلم پلی استری قرار گرفته اند، ساخته شده اند.
27 نوامبر 2009:
شرکت Impress Sensors and Systems ترانسمیتر فشار DS یی را روانه بازار کرده است که علاوه بر اینکه یک ترانسمیتر فشار است ، مجهز به Pressure Switch بوده و قادر به نمایش فشار است. این وسیله 3 در یک (Three in One) چندکاره بعلاوه به یک سیگنال کاندیشنر Signal Conditioning مجهز است که خروجی های سیگنال جریان یا ولتاژ را بهمراه 1، 2، و یا 4 سوئیچ خروجی ترانزیستور مستقل میتوان از آن دریافت کرد. رنج فشار قابل اندازه گیری در مدل DS210 تا 10 میلی بار است در حالیکه مدل DS200 میزان فشار قابل اندازه گیری به 600 بار نیز میرسد. از این ترانسدیوسر برای اندازه گیری فشار شامل هوا، روغن، مایعات و فشار هیدرولیک میتوان استفاده کرد. تصویری از این ترانسدیوسر را در شکل زیر مشاهد کنید:
26 نوامبر 2009:
شرکت آمریکایی سنسور تکنولوژی سنسور، مبدل و ترانسدیوسر فشار AST4000 چهار پینه مطابق با استاندارد DT04 (آلمان) و سرپیچ نصب M12x1 (استاندارد اروپا Eurofast) را به بازار ارائه کرده است. اتصالDT04 آلمان مشابه اتصال سری 150 استاندارد Packard Metripack است. سرپیچ M12x1 این وسیله را قادر میسازد تا در شرایط ارتعاش و شوک مکانیکی مانع بروز اشکال در اتصالات الکتریکی آن شود. خروجی های ولت، میلی ولت و میلی آمپر 4 تا 20 را از این وسیله میتوان دریافت کرد. تصویری از این سنسور در شکل زیر دیده میشود.
شرکت City Technology ، یکی از بزرگترین تولید کنندگان سنسورهای گاز، سنسور گاز NO برای کاربردهای پزشکی را به بازار ارائه کرده است. گاز NO که توسط این سنسور میتواند آشکار شود شامل رنج وسیع 0 تا5000ppm است. این سنسور به لایه فیلتر داخلی مجهز است تا اثر جریان دی اکسید سولفور بر سنسور را بکاهد. سیگنال خروجی سنسور 0.05 میکروآمپر بر ppm و دارای تلرانسی در حدود 20 درصد است.
24 نوامبر 2009:
شرکت نروژی SICK ترانسمیتر فشار جدیدی را روانه بازار کرده است که برای اندازه گیری دقیق فشار در صنایع غذایی و آبجوسازی، داروسازی و آرایشی قابل استفاده است (تصویر زیر). سری PHT قابلیت اندازه گیری فشار مطلق، گیج، و مرکب را دارد. بدنه سنسور از استیل ضدزنگ 1.4435 ساخته شده که آنرا مقاوم در برابر خوردگی میکند. این سنسور از نظر بهداشتی تاییدیه EHEDG را دارد و هوزینگ آن براحتی تمیز میشود. این سنسور دارای خروجیهای ولت، میلی ولت و میلی آمپر 4 تا 20 است. سری سنسورهای PHT میتوانند کاربردهای فشار پایین 0 تا 0.25 بار (مانند فشار مایعات در تانکها) و 0 تا 25 بار (مانند فشار پمپهای پرکننده بطریها و ...) را تحت پوشش دهد.
12 نوامبر 2009:
شرکت فنلاندی تکنولوژی VTI رنج جدیدی از سنسورهای مرکب شتاب زاویه ای (Gyro-AccelerometerCombo) برای کاربردهای صنعتی با کیفیت بالا را روانه بازار کرد. درون بسته بندی این محصول سه سنسور محوری شتاب سنج بهمراه یک سنسور زاویه سنج قرار گرفته است. این محصول بر مبنای تکنولوژی 3D MEMSساخته شده که آنرا بسیار مقاوم، پایدار و نویز پایین میسازد. شکل زیر تصویری از مدل SCC-1120 (مدل قدیمیتر) را نشان میدهد.
بنـــــــــام خدا
مقدمه:
فرساب لیزری یا Laser Ablation تکنیکی است در فرآیند آماده سازی مواد که از زمان اختراع لیزر در 1960 شناخته شده بوده است. پس از اختراع اولین نوع لیزر، مطالعات عملی و تئوری زیادی روی روش فرساب یا کنده کاری توسط لیزر صورت پذیرفت و پس از چند سال مشخص شد که با این روش امکان نشاندن لایه نازک مواد بر روی زیرلایه وجود دارد. این روش بکارگیری فرساب لیزری بنام Pulsed Laser Deposition یا اختصاراً PLD نامیده میشود. اولین رسوب گذاری موفق توسط این روش در فیلمهای نازک ابررسانای دمای بالا YBCO (ایتریوم-باریوم-مس اکساید) در سال 1987 انجام شد و بلافاصله پس از آن خاصیت ابررسانایی این ماده گزارش شد (توضیح درباره YBCO: این ماده که در حقیقت فرمول شیمیایی YBa2Cu3O7 دارد اولین ماده ی ابررسانایی است که در دمای بالای نقطه جوش نیتروژن (-196 °C یا 77 K) ساخته شد).
ساختار یک سیستم PLD در شکل یک ارائه شده است. عمل اولیه در این تکنیک بکارگیری پالسهای لیزر توان بالاست (مثلاً توسط یک Excimer یا یک لیزر Nd:YAG) تا مقدار بسیار کمی از ماده را از سطح ماده هدف بخار کند.
شکل یک: ساختار PLD
(توضیح درباره Excimer وNd:YAG - اکسایمر که مخفف Excited Dimer است یک مولکول شکل گرفته توسط دو مولکول کوچکتر است که طول عمر بسیار کوتاهی در حد نانوثانیه دارد. Nd:YAG یا neodymium-doped yttrium aluminium garnet با فرمول Nd:Y3Al5O12 کریستالی است که بعنوان یک محیط لیزینگ برای لیزرهای نیمه هادی استفاده میشود و برای اولین بار در 1964 در ازمایشگاه Bell ارائه شد).
چگالی انرژی جذب شده آنقدر هست که بتواند هر پیوند شیمیایی بین مولکولهای ماده را بشکند. آنچه پس از آن در واقع بوجود میاید گاز فشار بالایی است که در لایه سطحی ماده هدف ایجاد میشود. در نتیجه ی گرادیان فشار، یک جت مافوق صوت از ذرات از سطح ماده هدف خارج میشود. عملاً پروسه صورت گرفته بسیار پیچیده تر از این مطلبی است که در بالا گفتم. ابر تشکیل شده توسط ذرات انرژی عظیمی را پرتو لیزر جذب کرده و درون محفظه پلاسمای داغ یا Plume را ایجاد میکند (Plume عبارتست از مقدار زیادی گاز یا دود که از جسم یا سطحی بطرف خارج ساطع میشود). مقدار توان آستانه مورد نیاز برای ایجاد پلاسمای داغ به نوع ماده هدف، مورفولوژی آن، و طول موج و مدت زمان اعمال لیزر وابسته است، اما ممکن است این مقدار در حدود 10 تا 500 میلی وات بر سانتی متر مربع برای پالسهای لیزر اکسایمر با طول موج ماورای بنفش (UV) و دوره 10 نانو ثانیه باشد. هنگام اعمال لیزر به سطح ماده هدف باید هدف و زیرلایه را توسط موتورهایی چرخاند تا از پدیده سوراخکاری Drilling در هدف جلوگیری شود و همچنین نحوه رشد فیلم روی زیرلایه بصورت یکنواخت در سطح آن درآید.
بعد از چندصد یا چندین هزار پالس لیزر، ذرات فرساب شده یا Ablate شده روی سطح زیرلایه ای که درطرف مقابل هدف قرار دارد به اصطلاح "چگال" یا Condense میشود و فیلم نازکی از ماده هدف را تشکیل میدهد. چگالی انرژی پالس-لیزر که با Fluence نشان داده میشود و بر حسب J/cm2 سنجیده میشود یکی از مهمترین پارامترهای فرساب لیزری است.
(توضیح درباره fluence: در فیزیک فلواِنس میزان شار تابشی بوجود آمده در واحد زمان است که بر اساس تعداد ذراتی که در واحد سطح یکدیگر را قطع کرده اند معین میشود. از این واحد بویژه برای نشان دادن شدت میدان تشعشی استفاده میشود).
وقتی میزان فلواِنس بالاست، سرعت بالای تبخیر ماده در لایه نازکی از سطح بوجود میاید که بویژه در انتقال استوکيومترى stoichiometric ماده از روی یک هدف چند عنصره بسیار مفید است. PLD را میتوان هم در محیط خلاء و هم در محیطی با گازهای رقیق کننده موثر در ترکیب فیلم استفاده کرد. در صورتیکه هدف ایجاد فیلمهای اکسیدی (نظیر لایه اکتیو در سنسورهای گاز) است، اکسیژن بهترین گاز زمینه است. تحت پارامترهای مناسب پروسه (مانند فشار گاز زمینه، دمای زیرلایه، و فلواِنس لیزر)، فیلم بصورت اپیتَکسی epitaxially رشد میکند و شکل، ترکیب، میزان اتمها، خواص شیمیایی و ... فیلم (که همه اینها به اختصار استوکیومتری نامیده میشود) دقیقاً با ماده هدف یکی خواهد بود. پارامترهای پروسه همچنین بر نرخ رشد فیلم تاثیر دارند ولی وقتی فلواِنس و فاصله زیرلایه تا هدف بهینه شده باشند این نرخ تقریباً ثابت باقی میماند (تقریباً یک انگستروم بر پالس برای اکسیدهایی نظیر YBCO). در ادامه این مطلب همه مراحل پروسه PLD شامل فعل و انفعال بین لیزر و هدف، تشکیل پلاسمای داغ یا Plume، و چگالش فیلم روی زیرلایه را بصورت مشروح مرور خواهم کرد. همچنین پروژه ای را در دست دارم که بخشی از آن باید با PLD انجام شود، سعی خواهم کرد از تجربیات خود نیز در این باره بنویسم.
برای نوشتن این مطلب از بخشهایی از مقاله زیر و همچنین یادداشتهای فنی دانشگاه هلسینکی فنلاند استفاده کرده ام.
بنام خـــــــــــدا
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. در این طرح برای ساخت هیتر از پلاتین استفاده شده است. بدین ترتیب که هیتر پلاتینی درون غشای Si3N4 قرار گرفت.
بنام خـــــــــــدا
سنسورهای گاز باید بطور منظم کالیبره و چک شوند تا از میزان دقت سنسور و سیستم قرائت آن اطمینان حاصل شود. برای تست منظم سنسورهای گاز ، بهتر است آنها را در مکانی نصب کرد که دسترسی به آنها آسان باشد. معمولاً زمان بازدید و کالیبره کردن سنسورها توسط سازنده سنسور در کاتالوگ آن ارائه شده است. اما بهر حال تجربه نشان میدهد که در بازه زمانی 30 روزه بعد از نصب سنسور بهتر است سنسور بطور مرتب مانیتور و چک شود، چرا که میزان تطابق پذیری یا Adaptability سنسور با محیطی که در آن نصب شده است در همین مدت 30 روز مشخص خواهد شد.
مسائل و مشکلاتی مانند اثر حرارت مستقیم، میزان رطوبت، و لرزش محل نصب تاثیر خود را براحتی در طی این سی روز نشان میدهد. در صورتیکه قصد چکاپ سنسور گاز بعد از نصب را دارید بهترین برنامه تست چهار روز درمیان سنسور در سی روز اول است.
کالیبریشن سنسورهای گاز در محل بسیار ساده تر از روش کالیبراسیون آزمایشگاهی است و کلاً شامل دو مرحله میشود: ا. ابتدا صفر Zero تنظیم میشود و 2. سپس محدوده قرائت یا اندازه گیری Span کالیبره میشود.
1. تنظیم صفر: بسیاری بر این عقیده اند که برای تنظیم صفر سنسور گاز بهترین کار اعمال نیتروژن یا ترکیبی از هوای تمیز - با رطوبت معین - به سنسور و سپس اندازه گیری سیگنال خروجی سنسور است. البته این روش برای محیطهایی نظیر آزمایشگاههای مواد غذایی، بیمارستانها و ... ممکن است کاربرد داشته باشد اما در محیطهای صنعتی این روش ، روش جالبی نیست چرا که محیط نرمال در چنین اماکنی دارای حداقل گازهایی است که میتوان از آنها بعنوان شاخص صفر استفاده کرد. همچنین باید میزان رطوبت نرمال محیط را مد نظر داشت. در این صورت تنظیم صفر سنسور بسیار واقع گرایانه می نماید.
2. تنظیم Span: تنظیم محدوده عملکرد سنسور گاز هم میتواند بسیار ساده باشد و هم بسیار پیچیده. در حالتی که سنسور گاز برای مانیتور کردن گازهای بیخطر و نرمال بکار میرود، تنظیم محدوده عملکرد سنسور با ایجاد و اعمال یک زمینه یا Background از ترکیبی از گازهای هدف به میزان مشخص میتواند منجر به تعیین محدوده عملکرد سنسور شود. از طرفی اگر سنسور گاز بعنوان مثال سنسور هیدروژن یا H2S باشد در اینصورت ریسک و خطر کالیبره کردن سنسور بسیار بالا میرود. بعضی از مهندسین توصیه میکنند که در این مواقع سنسور را کالیبره کردن به آزمایشگاه انتقال داد و سپس در محیط ایمن نسبت به تست آن اقدام کرد. این روش البته بسیار دقیق و با ریسک بسیار پایین است اما هزینه بر و زمان بر است. در اینصورت استفاده از کیسه های پلاستیکی Gas Sampling Bag حاوی مقدار بسیار اندکی از گاز هدف (تصویر یک) و یا بکارگیری ظروف کالیراسیون Calibration Can (تصویر دو) جایگزین مناسبی هستند تا سنسور را در محل کالیبره کرد.
تصویر یک - کیسه کالیبراسیون سنسور گاز
تصویر دو - قوطی کالیبراسیون گاز از شرکت Microcan
|
مطالب مشابه :
سنسورهای رطوبت و نم
قرار داده میشود و در نتیجه سنسور به (مقاله ای از ساینس دایرکت در مورد سنسور رطوبت
سنسور رطوبت
این نوع از سنسور رطوبت در این مقاله سعی شده است حسگر مهم و بسیار كاربردی رطوبت را مورد
سنسور شارپ
سنسور رطوبت. و راهنمایی هایی در مورد این سنسور جهت یافتن این مقاله در داخل باکس
انواع سنسورها
o2a سنسور رطوبت و دما در یك پك خروجی دیجیتال » مقاله در مورد سنسورهای
سنسورها
برای اینکه در مورد سنسورهای در مورد سنسور رطوبت مقاومتی nist و با چاپ مقاله ای در
سنسور
سنسور - مقاله های 23 درجه سلسیوس؛ رطوبت در اين مورد، يک آهنرباي دائمي بر محور موتور در
برچسب :
مقاله در مورد سنسور رطوبت