A gázérzékelők működési elve, avagy Érzékelőbiblia 1. rész: A félvezetős érzékelők

A Szenzortechnika Kft széles gázérzékelő kínálatában számos érzékelő típussal szerelt eszköz és teljes rendszer megtalálható. Új sorozatunkban a különböző gázérzékelési technológiák jellemzőit és előnyeit mutatjuk be. A sorozat első részében a félvezetős érzékelőkről lesz szó.

Egy jó érzékelőanyagtól általában nagy érzékenységet, gyors reagálást/visszaállítást és jó szelektivitást követelnek meg. Az alacsony költségű és megbízható érzékelőeszközök kifejlesztése a gázok kimutatására, különösen szobahőmérsékleten, továbbra is jelentős tudományos és technológiai kihívás.  A különböző érzékelő anyagokon és módszereken alapuló gázérzékelők a detektálási módszer szerint osztályozhatók. Az elektromos tulajdonságok változtatása a módszerek egyik osztályát képezi , míg más érzékelési módszerek közé tartoznak az optikai, akusztikai, kromatográfiás és kalorimetrikus gázérzékelők. Amikor egy félvezető (fémoxid, szén nanocső, vezető polimer, 2D anyag) gázérzékelő felületét a környezetnek kiteszik, a gáz kölcsönhatásba lép az érzékelő anyaggal, és megváltoztatja annak főbb fizikai paramétereit, mint például a vezetőképesség, vagy a permittivitás. A gázérzékelő másik eleme, a transzducer ezeket a fizikai paramétereket elektromos paraméterekké, például ellenállássá, kapacitássá és induktivitássá alakítja. Érzékelő feszültséget vagy áramjelet állít elő, amelynek nagysága, frekvenciája és fázisa mérhető.
Így az elektromosan átalakított kémiai érzékelőkben (például a félvezető gázérzékelőkben), ahol a gázmolekulák közvetlenül lépnek kölcsönhatásba az érzékelő anyaggal, ezek a határfelületek kulcsszerepet játszanak az érzékelő eszközök érzékenységének, stabilitásának, sőt biokompatibilitásának meghatározásában. Az érzékelőanyagot úgy kell megtervezni, hogy nagy szabad felület álljon rendelkezésre a gázmolekulákkal való kölcsönhatáshoz, megfelelő aktív helyekkel rendelkezzen e molekulák megkötéséhez, és képes legyen ezeket a kötési eseményeket hatékonyan detektálható jelekké alakítani. Az is rendkívül előnyös, ha az említett fizikai hatások viszonylag nagy vezetőképesség-variabilitást eredményeznek, ami további nagyobb szenzor-dinamikai tartományt jelent. Az érzékelő anyagnak jó mechanikai tulajdonságokkal is rendelkeznie kell a könnyű megmunkálhatóság érdekében.
A félvezető gázérzékelőket először egyetlen gáztípus dedikált érzékeléséhez használták, azonban az elmúlt évtizedek folyamatos fejlesztéseinek köszönhetően már kiküszöbölésre kerültek olyan problémák, mint a nagy keresztérzékenység és az egyes gázokkal szembeni gyenge szelektivitás formájában jelentkező korlátok. Ma már az ilyen eszközökben többérzékelős tömbök és mintafelismerő modulok biztosítják a pontos működést. 
A legújabb kutatások a többváltozós válaszelvre összpontosítanak. Ennek az elvnek az alapkoncepciója egy olyan szenzoranyag tervezése, amely többféle gázokra többszörös válaszmechanizmussal, többváltozós átalakítóval és adatelemzéssel rendelkezik. A többváltozós átalakító képes felismerni a különböző gázválaszokat és független kimeneteket szolgáltatni. 

Félvezető történelem:
A félvezető oxidok, ismertebb nevükön fémoxidok, a leggyakrabban használt érzékelőanyagok. Brattain és Bardeen 1952-ben elsőként számolt be a germánium gázérzékenységéről, így ez volt az első gázérzékeny anyagként használt félvezető. 1954-ben Heiland megállapította, hogy az oxigén (vagy más légköri gázok) parciális nyomásának változása hatással van a cink-oxid félvezető tulajdonságaira. 1962-ben Seiyama és társai cink-oxid vékonyrétegeken figyelték meg azt a jelenséget, hogy egy gáz adszorpciója vagy deszorpciója az oxidanyag felületén megváltoztatja annak vezetőképességét. 1967-ben Shaver írta le először a volfrám-oxid vékonyrétegek nemesfémekkel, elsősorban platinával történő adalékolásával elért hatásokat. Taguchi  1971-ben ón-oxidot alkalmazott az első kereskedelmi érzékelőben.

Félvezető típusok

• Fém-oxid félvezetők

A fémoxid félvezetők gázérzékelő anyagként való alkalmazásának előnyei közé tartozik az alacsony költség, a könnyű gyárthatóság, az egyszerű használat, a különböző gázok, köztük a gyúlékony és mérgező gázok kimutatásának képessége. Ezen érzékelő anyagok hátrányai vagy korlátai közé tartozik a gyenge szelektivitás és keresztszelektivitás, az alacsony érzékenység alacsonyabb gázkoncentrációkra, más szóval a kimutatási határérték, a nagy energiafogyasztás, az alapellenállás sodródása és a magas üzemi hőmérséklet.

• Vezető polimerek: 

A vezető polimereket (más néven belső vezető polimereket), mint például a polianilin (PANI), a polipirrol (PPy) és a poli(3,4-etilén-edioxiotiopén), már az 1980-as évek óta vizsgálják érzékelő anyagként, és aktív rétegként használják gázérzékelésre. A gázérzékelő anyagként használt vezető polimerek számos előnnyel rendelkeznek, mint például a szobahőmérsékleten való működés, a jó mechanikai tulajdonságok és a könnyű szintézis. Széleskörű gyakorlati alkalmazásuk fő hátránya a hosszú távú instabilitás és irreverzibilitás, valamint az alacsony szelektivitás. Idővel a szenzor válasza csökken, és ez a folyamat nem reverzibilis, így a vezető polimereket használó szenzorok élettartama nem hosszú. Stabilitásukat nagyban befolyásolják a környezeti feltételek, például a páratartalom vagy a hőmérséklet változása, amelyek befolyásolhatják a gázérzékelő vezető polimerréteg kémiai és fizikai tulajdonságait, továbbá az analit és a vezető polimer közötti kölcsönhatás is befolyásolhatja a stabilitást. Ezek a kölcsönhatások duzzadási hatást okozhatnak a vezető polimerrétegekben, ami hatással van az elektromos ellenállásra és az érzékelő képességre.

• Szén nanocsövek

A szén nanocsövek (CNT) gázérzékelő anyagként való alkalmazásával kapcsolatos vizsgálatok húsz évvel ezelőtt kezdődtek. A grafénlapok tengelyirányú tekercselésével kialakított, varrat nélküli hengereket képviselnek, lehetnek egyfalúak (SWCNT), amelyek egy lapból állnak, amikor minden atom felületi atomként viselkedik, vagy több falúak (MWCNT), amelyek több lapból állnak, amikor csak a legkülső réteg atomjai felelősek az érzékelő válaszért. A szén nanocsövek jó kémiai és mechanikai stabilitással, gázérzékelő alkalmazásokhoz alkalmas elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, nagy felület/térfogat aránnyal párosulva. Mint ilyenek, a következő generációs gázérzékelőként hivatkoznak rájuk, amely a gázérzékelés piacán jelentős változást hozhat. 

• 2D anyagok

A grafén  kötött szénatomokból áll, és szobahőmérsékleten nagy elektronmozgékonyságú.  2D szerkezete minden szénatomot felületi atommá alakít, ami azt eredményezi, hogy az elektronok grafénen keresztüli transzportja nagyon érzékeny az adszorbeált molekulákra. Emiatt kivételes elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Lapszerű szerkezete jobban alkalmas nanorészecskék (fém vagy fémoxid) lerakására és stabilizálására, és könnyen beépíthető érzékelő eszközökbe. 

A Szenzortechnika Kft félvezetős érzékelő eszközei alkalmasak már 30ppm koncentrációtól az ammónia gáz észlelésére, ugyanakkor keresztérzékenységük miatt nem javasoljuk a 200 ppm alatti jelzési,beavatkozási szintek beállítását csak abban az esetben, ha kizárható egyéb - keresztérzékenységet okozó - gáz, gõz jelenléte azérzékelő környezetében. A javasolt jelzési szintek: 500 ppm és 4000 ppm között.

A SENS-EX C/D-S-U gázérzékelő központ tulajdonságait az alábbi linkre kattintva tekintheti meg.
https://www.szenzortechnika.hu 
Kérdései esetén munkatársaink állnak rendelkezésére.