بررسی عملکرد و مدار سنسور گاز

سنسور تشخیص گاز چیست و چه کاربردی دارد ؟

در محیط زندگی ما ممکن است آلاینده ها و گازهای بسیاری وجود داشته باشد که در نهایت منجر به تخریب محیط زیست، ایجاد باران های اسیدی، اثرات گلخانه ای، تخریب لایه اوزن و مسمومیت های خطرناک در افراد شود.  برای تشخیص این گازها و مواد شیمیایی به ابزاری نیازمندید که بتوانید آنها را تشخیص دهید. با ظهور و تکامل تکنولوژی میکروالکترونیک در دهه ۱۹۷۰ سنسورهای جدید مورد توجه قرار گرفتند و سنسورهای مختلفی با قیمت ارزان و کاربرد آسان تولید شد.

سنسور های گاز با توجه به ویژگی ها و مشخصه های منحصر به فرد خود برای استفاده صحیح و بدون خطا نیازمند طراحی یک مدار ساده و دقیق با رعایت کامل نکات ایمنی برای مراقبت از سنسور و حفظ آن است.

برای تشخیص و آشکارسازی این گازها و مواد شیمیایی به ابزاری نیازمندید که بتواند آنها را تشخیص داده و در صورت امکان بتوان با آنها مقابله کرد؛ یا حتی تشخیص نوع گاز کمک بزرگی در مداوای فرد مسموم است و همچنین تشخیص آلاینده ها جهت محافظت محیط زیست بسیار ضروری و مهم است. تکنیک های تشخیص گاز که تا سال ۱۹۹۵ از آنها استفاده می شد تکنیک های معمولی بوده اند.

یک مشکل اساسی این تکنیک ها پاسخ زمانی بالا برای تشخیص گازها بود در نتیجه برای رفع این مشکل نیاز به ابزاری با پاسخ زمانی پایین حس می شد. علاوه بر آن به ویژگی هایی از قبیل حساسیت بالا و دوام زیاد نیاز می شد. پژوهشگران در اولین دهه ۱۹۵۰ دریافتند که تغییر در ترکیب گازهای اطراف نیمه هادی می تواند در هدایت الکتریکی آنها تأثیر بگذارد. در آن زمان این اثر را در مورد ژرمانیوم تک کریستال بررسی کردند و آن را برای گازهای مختلف اندازه گیری کردند و دریافتند که ژرمانیوم حساسیت کمتری نسبت به گازهای محیط دارد.

این بحث تحقیقات وسیعی را طلب می کرد و به دنبال آن نیمه هادی های مختلف برای آشکارسازی گاز پیشنهاد شد. به دلیل مشکل اندازه گیری حساسیت در سنسورهای ساخته شده با این نیمه هادی ها دانشمندان به این نتیجه رسیدند که دمای کار حسگر را بالا برده و در دمایی بالاتر از دمای اتاق، شرایط کار را برای حسگر فراهم آورند.

با بالا بردن دمای سطح حسگرهای گازی، حساسیت الکتریکی آنها نسبت به گازهای مختلف افزایش پیدا کرد و به دنبال آن باز مشکلات دیگری پیدا شد که کارکرد آنها را مختل نمود. از جمله مهمترین این مشکلات، اکسید شدن سطح نیمه هادی بود و با بروز این مشکلات نیمه هادی های دیگری شناسایی شدند و نیمه هادی های اکسیدی در اولویت قرار گرفتند.

Wo₃، In₂o₃، Sno₂، Tio₂، Mgcr₂o₄، V₂o₅ و… به عنوان حسگرهای گازهایی نظیر CO، CO₂، O₂، H₂، SO₂، H₂S، H₂SO₄ آزمایش میزان الکل در تنفس، کنترل فرآیند تخمیر، کنترل تهویه برای منازل و صنایع، کشاورزی و مرغداری، آشکارسازی نشتی آمونیاک در یخچال و آشکارسازی گازهای خانگی (متان، بوتان و پروپان) به کار می رود.هر کدام از کاربردهای فوق ویژگی ها، خصوصیات و تکنولوژی منحصر به فردی را برای سنسور طلب خواهد کرد.

---

بیشتر بخوانید :

اندازه گیری دما با سنسور

هفت سنسور پرکاربرد در صنعت 

---

فناوری ساخت سنسور های گاز نیمه هادی

فناوری هایی که برای ساخت سنسورهای نیمه هادی به کار می رود عبارتند از:

• فناوری فیلم نازک و ضخیم، فویل(Foil) سینتر (Sinter)، بیولوژیک، فیبر نوری، لیز نوری، میکروویو و…
• فناوری هایی از قبیل پلیمر و آلیاژهای فلزی با مواد پیزوالکتریک نیز نقش مهمی را در تولید سنسورها بازی می کنند، ولی اساس و پایه ساخت تمام سنسورها همان فناوری میکروالکترونیک است.

زمینه های اصلی کاربرد سنسورهای نیمه هادی همگی تهیه گاز نصب شده به طور خانگی، سیستم های اخطار برای تشخیص گازها در پالایشگاه ها و صنایع دیگر، برای آزمایش میزان الکل در تنفس و…. است.

سنسورهای نیمه هادی که تغییرات در سطح مقاومت را شناسایی می کنند برای اندازه گیری رطوبت نسبی نیز به کار می روند.  شناخته شده ترین سنسورهای گازی، سنسورهای گازی تاگوچی TGS است که بر پایه SnO₂ است و توسط شرکت فیگارو ژاپن تولید می شود.

سنسور گازی تاگوچی TGS فیگارو

فناوری به کار رفته در سنسور گازی TGS فناوری فیلم ضخیم، نیمه هادی های اکسید فلزی است. این سنسورها با قیمت کم، عمر طولانی و حساسیت خوب در صورتی که در یک مدار الکتریکی مناسب بایاس شود توسط شرکت فیگارو عرضه می شود.

ساختار و ابعاد سنسور TGS

١- عنصر حسگر: اکسید فلز SnO₂ فیلم ضخیم در سطح لوله سرامیکی آلومنیومی که محتوی یک هیتر یکپارچه است.

 ۲- سرپوش: نایلون ۶۶

۳- بیس سنسور: نایلون ۶۶

عملکرد سنسور گاز TGS

حسگر سنسور گاز TGS معمولاً Sno₂ است. وقتی که اکسید فلز مانند SnO₂ در دمای بالای هوا گرم شود، اکسیژن روی سطح کریستال، با یک بار منفی به صورت سطحی جذب می شود. سپس الکترون ها در سطح کریستال با اکسیژن جذب شده سطحی مبادله می شوند که منجر به از دست رفتن بارهای مثبت در فضای لایه بار می شود. بنابراین پتانسیل سطحی برای فراهم کردن یک سد پتانسیل در خلاف شارش الکترون ها ایجاد می شود.

درون سنسور، در قسمت اتصال مرز ذرات میکرو کریستال های SnO₂، یک جریان الکتریکی جاری می شود. در مرزهای ذرات، اکسیژن جذب شده سطحی، یک سد پتانسیلی برای جلوگیری از حرکت آزادانه حامل ها به وجود می آورد.

مقاومت الکتریکی سنسور نیز با این سد پتانسیل نسبت دارد. در صورت وجود یک گاز احیاء کننده، چگالی سطحی اکسیژن باردار شده با بار منفی کاهش می یابد که منجر به کاهش ارتفاع سد پتانسیل در مرز ذرات می شود، کاهش ارتفاع سد نیز مقاومت سنسور را کاهش می دهد. به طور کلی مکانیزم دریافت گاز و به دنبال آن تغییر مقاومت در یک سنسور گاز نیمه هادی اکسید فلز عمدتاً شامل سه عملکرد مطابق شکل زیر است:

ویژگی های سنسور گاز TGS

در سنسور گاز فیگارو TGS با  کاهش فشار اکسیژن، مقاومت سنسور کاهش پیدا می کند. سنسور گاز TGS چه ویژگی هایی دارد ؟ 

میزان حساسیت گاز (TGS)

رابطه بین مقاومت سنسور و مقدار گاز، رابطه ای خطی در مقیاس لگاریتمی است. در حالتی که مقدار گاز، در رنج کاری خود عملی باشد (از چندین ppm تا چندین هزار ppm ). سنسور، حساسیت تغییرات گازهای احیاء کننده را نشان خواهد داد. البته حساسیت نسبی به گازهای معین، می تواند با در نظر گرفتن دمای کار و مدار حسگر بهینه سازی شود.

از آنجایی که مقادیر واقعی مقاومت سنسور، از یک سنسور به سنسور دیگر متفاوت است نسبت مقاومت سنسور در چگالی های گوناگون گاز (Rs) بالاتر از مقاومت در چگالی معین از گاز مورد نظر (Ro)  است. (ppm قسمت در میلیون است.)

واکنش سنسور TGS  

مقاومت سنسور هنگامی که در معرض گاز قرار می گیرد به سرعت افت می کند و هنگامی که از آنجا برداشته می شود، در زمانی کوتاه به مقدار اصلی خود باز می گردد. سرعت واکنش سنسور با توجه به مدل سنسور و گاز به کار برده شده متفاوت خواهد بود.

عملکرد آغازین سنسور گاز

تمامی سنسورها یک رفتار گذرا را وقتی که در هوا بدون انرژی تحریک می شوند، از خود نشان می دهند که به عنوان عملکرد آغازین شناخته می شود. برای چندین ثانیه اول بعد از گرفتن انرژی R_S بدون توجه به درصد گازها، به سرعت افت می کند و سپس با توجه به اتمسفر محدود شده، به میزان ثابت می رسد. طول عملکرد آغازین، به شرایط اتمسفر هنگام جای گذاری و همچنین به خود مدت جای گذاری بستگی دارد و با مدل سنسور تغییر می کند.

این رفتار هنگامی که مدار برای آن طراحی می شود باید لحاظ شود، زیرا در این رفتار در طول لحظات اول که مدار روشن می شود ممکن است خطایی به وجود آید.

وابستگی سنسور گاز TGS به دما و رطوبت

 اصل آشکارسازی و تعیین گاز در این نوع سنسورها بر اساس جذب سطحی و دفع سطحی شیمیایی گازها در سطح سنسور است. به عنوان یک نتیجه، دمای محدود شده به وسیله تغییر دادن میزان واکنش شیمیایی، ویژگی های حساسیت را تحت تأثیر قرار می دهد.  همچنین افزایش رطوبت نیز مانند بخار آب جذب شده در سطح سنسور، می تواند باعث کاهش Rs شود. هنگام استفاده از این سنسورها، از مدار جبران ساز حرارتی بهره می گیرند.

دوران پایداری در سنسور گاز TGS

عموماً سنسورهای TGS کاراکترهای پایداری را در واحد زمان نشان می دهند که این ویژگی، آنها را برای مقاصد و عملکردهای بدون نیاز به تعمیرات، مناسب ساخته است.

وابستگی سنسور گاز TGS به ولتاژ فیلیمان

سنسورهای TGS به گونه ای طراحی شده اند که تحت ولتاژ ثابت فیلیمان، ویژگی های حساسیتی بهینه را از خود نشان می دهند. 

از آنجایی که سنسور به ولتاژ فیلیمان وابسته است، با توجه به ویژگی ها و مشخصات، ولتاژ فیلیمان تنظیم شده و کنترل شده ثابتی باید به سنسور داد. لازم به ذکر است که ویژگی های فوق به صورت کلی است و منحصر به سنسور خاصی نیست.

مدار سنسور گاز TGS

ابتدا به صورت کلی مداری برای استفاده سنسور طراحی کنید، اما بسته به نوع سنسور و مشخصه های آنها، مقادیر و المان های مختلفی را طلب می کند.

 

در مدار بالا Vc می تواند مقادیر ۵، ۶، ۱۲ و ۲۴ ولت باشد. ولتاژ گرمایش VH یا Heating Voltage باید مقدار V 5  ± ۰٫۲ V باشد. توان مصرفی نیمه هادی یا تغذیه در مدار حداکثر ۱۵mW است.

مقاومت بار R_l

سیگنال خروجی از مقاومت باری که همانند یک نگهدارنده (محافظ سنسور) با سنسور تنظیم کننده مصرف قدرت (Ps) در زیر مقدار نامی برای سنسور عمل می کند بدست می آید. انتخاب درست و صحیح مقاومت بار Rl برای یک سنسور منحصر به فرد، سنسور را قادر می سازد مشخصات یکسانی را عرضه دارد. بنابراین شما می توانید سنسور را تحت بهترین مشخصه ها به کار ببرید. 

پردازش سیگنال سنسور TGS

روش قراردادی پردازش سیگنال خروجی استفاده از مقایسه کننده است. وقتی که V_RL از مقدار از پیش تنظیم شده V_ref تجاوز کند، مقایسه کننده سیگنال تجهیزات خارجی از قبیل زنگ اخبار و LED را فعال می کند.

استفاده از میکروپروسسور برای پردازش سیگنال عمومیت بیشتری پیدا کرده است. میکروپروسسور می تواند عملکرد یکسانی مثل مقایسه کننده در افزودن دیگر عملکردهای سودمند از قبیل جبران وابستگی حرارتی و کالیبره کردن خودکار و غیره داشته باشند.

مدار جبران ساز حرارتی سنسور TGS

بدون مدار جبران ساز حرارتی، وقتی که در ۱۵۰۰ppm از گاز مورد نظر در شرایط استاندارد (۲۰ᵒC و % ۶۵ RH) کالیبره شده است، نقطه اخطار می تواند از ۶۰۰ppm تا۳۴۰۰ppm تغییر کند.

فرض کنید میانگین ثابت RH 65% باشد، V_ref می تواند با استفاده از ترمیستور تغییر کند. به خاطر اینکه این وابستگی به درجه حرارت معین را جبران سازد، V_ref ممکن است از ۵۹/ ۲ تا ۱/۳  ولت (تحت ۶۵% RH، ۴۰ᵒC) یا تا ۹/۱ ولت تغییر کند.

با ثابت نگاه داشتن رطوبت نسبی و افزایش یا کاهش درجه حرارت از شرایط استاندارد (۲۰ᵒC) غلظت گاز بر حسب p.p.m نیز به ترتیب برای حالت مدار جبران ساز افزایش یا کاهش و برای حالت بدون مدار جبران ساز کاهش یا افزایش می یابد. برای انتخاب یک ترمیستور و یا یک مقاومت اضافی روش های زیر پیشنهاد می شود:

 ۱- شناختن دامنه درجه حرارت محدود و رطوبت پیش بینی شده. 

 ۲- بدست آوردن منحنی های مشخصات حساسیت گاز مورد نظر در بالای دامنه شرایط محدود.

۳- معین کردن ترمیستور و مقاومت های اضافی در تقریبی از منحنی میانگین.

جریان هجومی فیلیمان سنسور سری TGS2000

مواد فیلیمان سنسور، وابستگی حرارتی خود را دارا است. جریان هجومی تقریباً ۵۰٪ بالاتر از جریان حالت پایدار است با توجه به اینکه مقاومت فیلیمان یک مقدار کمی را در درجه حرارت پایین نشان می دهد که این باعث خواهد شد بیشتر از جریان مورد انتظار در درجه حرارت اتاق باشد.

در نتیجه وقتی که یک وسیله استفاده کننده سنسور برای اولین بار روشن می شود ممکن است به شدت، جریان بسیار بالایی در لحظه کم اولیه روشن شدن تولید کند بنابرین حفاظت از جریان هجومی برای تلفیق طرح مدار باید مطرح شود.

مدار آشکارساز شکست فیلیمان سنسور TGS

شکست فیلیمان سنسور می تواند با یک مقاومت متصل شده به فیلیمان به صورت سری آشکار شود. ولتاژ یکسره مقاومت وصل شده می تواند برای این هدف استفاده شود.

جلوگیری از عملکرد اولیه سنسور گاز TGS مطابق فعال شدن آلارم

صرفه نظر از حضور گاز و پس از حرکت به سمت یک میزان پایدار بر طبق فشار جو محدود (اولین عملکرد) سرعت مقاومت Rs برای ثانیه های اولیه بعد از انرژی دادن افت می کند و این باعث می شود V_RL از V_ref تجاوز کند.

بعد از این رفتار، در طی شروع کردن به پردازش، محتمل به فعال کردن آلارم طی اولین لحظه انرژی دادن خواهد شد. برای ممانعت عملکرد اولیه از فعال شدن آلارم از یک مدار مانند شکل ۵-۱۷ باید استفاده نمایید. این مدار باید به VRL در مدار سنسور وصل شود.

مدار تأخیر زنگ اخبار سنسور گاز TGS

 برای جلوگیری از آلارم اشتباه، به علت حضور گذرای گازهای مزاحم (متداخل) از قبیل الکل در بخارهای آشپزی، می توانید از یک  مدار تأخیر استفاده نمایید.

مدار پایه اندازه گیری با سنسور گاز TGS

مدار اندازه گیری با سنسور گاز TGS به دو ورودی ولتاژ نیاز دارد: ولتاژ مدار (VC) و ولتاژ حرارتی یا گرمایش (VH). ولتاژ خروجی Vout ولتاژ دو سر مقاومت بار را نمایش می دهد.

و اما مدار پیشنهادی ما برای سنسور TGS … 

تغذیه مدار از برق شهر تأمین می شود. آی سی ۷۸۰۵ یک رگولاتور ۵ ولت است که جریان یکسو شده را تثبیت می کند. پتانسیومتر P1 و مقاومت R1 به طور سری با سنسور گاز قرار گرفته اند و یک تقسیم کننده ولتاژ را تشکیل می دهند.  طرز عملکرد به این صورت است که هر چه آلودگی هوا بیشتر باشد، ولتاژ بزرگتری به پایه مثبت IC2 اعمال می شود. ولتاژ مبنا به پایه منفی این آی سی اعمال شده است.

 فرض کنید که مدار در محیطی عاری از آلودگی باشد، در این حالت ولتاژ پایه منفی از پایه مثبت بیشتر میباشد. وقتی چیزی غیر از حالت نرمال را حس کند ولتاژ پایه مثبت افزایش یافته و خروجی مقایسه کننده تغییر حالت میدهد، در نتیجه ترانزیستور T1 مانند کلیدی بسته شده و رله جذب می گردد و دیود نورانی D7 نیز روشن می شود. واضح است که رله می تواند هر وسیله ای را نظیر آلارم فعال سازد. توسط پتانسیومترهای P1 و P2 میتوانید زمان عمل مدار (حساسیت) را تنظیم نمایید.

دیود نورانی و یا زنگ که در مدار بکار رفته، برای مواقعی است که فردی در اتاق باشد و با دیدن نورانی شدن دیود یا شنیدن زنگ به نشت گاز آگاه می شود. هنگامی که فرد برای مدت طولانی در اتاق نباشد، این موضوع بی فایده است، زیرا پس از مدتی که از نشت گاز گذشت فشار اطراف سنسور افت می کند که این سبب توقف عمل سنسور می گردد. اضافه شدن دیود D5 به مدار در واقع برای رفع این عیب است.

به محض اینکه گاز در فضا منتشر می شود مقایسه کننده تغییر حالت میدهد و دیود D5 هدایت خواهد کرد و سبب خواهد شد که یک فیدبک در اطراف IC2 ایجاد گردد.

در نتیجه بدون توجه به تغییرات ناگهانی سنسور، مقایسه کننده در همین حالت باقی می ماند تا اینکه کلید S2  فشار داده شود. کل جریان مصرفی مدار نباید از ۲۰۰ میلی آمپر تجاوز کند.

تنظیمات مدار پیشنهادی:

PI باید به گونه ای تنظیم شود که حدود ۱ تا ۳ ولت در محل اتصال R2 ,P1 برقرار شود. همچنین P2 نیز طوری تنظیم می گردد که در پایه IC2  ولتاژی حدود ۰٫۵ ولت یا بالاتر داشته باشد.

یعنی اختلاف ولتاژی حدود ۵۰ میلی ولت بین دو پایه مثبت و منفی آیسی برقرار گردد اما در انتها نگاهی مختصر بر مشخصه های یکی از سنسورهای فیگارو داریم.

ماده حسگر این سنسور اکسید نیمه هادی SnO₂ می باشد که قابلیت هدایت پایین در هوای تمیز را دارد. در صورت وجود یک گاز قابل کشف، قابلیت هدایت سنسور که به غلظت گاز در هوا بستگی دارد، افزایش پیدا می کند.

یک مدار ساده الکترونیکی می تواند تغییرات رسانایی را به یک سیگنال خروجی که به چگالی گاز وابسته است تبدیل کند. TGS813حساسیت بسیار بالایی به متان، پروپان و بوتان دارد. این محصول ایده مناسبی برای کشف گازهای طبیعی می باشد.