سنسورها :

سنسورها به گونه ای عمل می کنند که تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمه هادیها کاملا شناخته شده است.

از سنسورهای مغناطیسی و الکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان، پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.

کاربرد سنسورهای مکانیکی  در تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب (خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress، چگالی جرم، گشتاور پیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity ، سفتی ، و ساختار مواد می باشد.

در حوزه سنسور توجه بسیار زیادی به قطعات حساس گازهای موجود در محیط اطراف معطوف داشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزوم کنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگان وسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل این توجه شده است.

    مناسبترین ماده برای سنسورها نوع دوم اکسید فلز است. بر خلاف سایر نیمه هادیها که در زمان طولانی یا گرم شدن در هوای معمولی تبدیل شیمیایی غیرقابل بازگشتی را با تشکیل لایه های پایدار اکسید تحمل می کنند، اکسیدهای فلزی با اکسیژن واکنش برگشت پذیر صورت می دهند.

معروفترین حسگرهای اثر انگشت ، حسگرهای نوری (مرئی) – که شبیه یک دوربین فیلم برداری عمل می کنند–،آلتراسونیک – که بر پایه آلتراسونوگرافی پزشکی کار میکنند – و خازنی (پسیو و اکتیو) هستند.

 

 

 

 

واژگان کلیدی:

1- تغییرات همزمان در فشار جزیی اکسیژن                     PPO یا Partial Pressure of Oxygen

2- ضریب لامدا یا نسبت لامدا                                                                  Lambda Ratio

3- ناحیه ی سوخت کم                                                                     Fuel Lean Region

4-استویکیومتری                                                                                   Stoichiometry

5- بینی های الکترونیکی                                                                                 E-Nose

6- سونار سنسور                                                                                  Sonar Sensor

7- کشش و تنش                                                                             Strain and Stress

8-ویسکوزیتی                                                                                             Viscosity

9- دید در شب                                                                                        Night-Vision

10-بایومس                                                                                                 Biomass

11- سنسورهای نیمه هادی                                                                        Solid State

12- سنسورهای طیف نگار                                                                      Spectroscopic

13- سنسورهای نوری                                                                                      Optics

14- طیف سنج جرمی                                                                    Mass Spectroscopy

15-  کروماتوگرافی جرمی                                                          Mass Chromatography

16- طیف جذبی                                                                         Absorption Spectrum

17- شرکت مهندسی فیگارو                                                           Figaro Engineering 

18- بایومتریک                                                                                                        Biometric

19- مرور زنده                                                                                             Live Scan

20-فوجیتسو                                                                                                  Fujitsu

21-آوتن                                                                                                       Authen  

22- اتمل                                                                                                        Atmel   

23- دی پی آی                                                                                   Dot Per Inches

24- لایه پسیویشن                                                                          Passivation Layer

25- الکترودهای فلزی                                                                          Metal Electrods

26- فانکشنال متریال                                                                     Functional Material 

27- اکتیو فاز                                                                                        Active Phase  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه:

علاقمندی به توسعه ی سنسورهای اکسیژن ارزان قیمت از آنجا ناشی می شود که این سنسورها کاربردی ویژه ای در نمایش و نظارت -یا مونیتور کردن- گازهای خروجی موتورهای احتراق داخلی مانند موتور اتومبیل دارند.

 در چنین محیط هایی تغییرات همزمان در فشار جزیی اکسیژن (PPO یا Partial Pressure of Oxygen )* و سایر گازها بصورت نسبت هوا به سوخت در ترکیب احتراق عمل می کند. به نسبت هوا به سوخت ضریب لامدا یا نسبت لامدا Lambda Ratio *نیز می گویند و از این رو به چنین سنسورهای اکسیژنی، سنسور لامبدا نیز گفته می شود. کاربرد ویژه ی چنین سنسورهایی بازخواهد گشت به عملکرد سیستم در ناحیه ی سوخت کم یا Fuel Lean Region *. این ناحیه در واقع ناحیه ای است که در آن احتراق سوخت داخلی موتور در نسبت هوا به سوخت بالای 65:1 صورت می گیرد. در حالت ایده آل در این ناحیه هیچ سوختی نباید وجود داشته باشد که بالطبع از نظر عملی غیر ممکن است.

سنسورهای لامبدا در واقع به تغییرات فشارجزیی اکسیژن در دمای بالای 700 درجه سانتیگراد با ایجاد موازنه بین ترکیب گازهای موجود و استویکیومتری Stoichiometry *حجم سنسور پاسخ می دهند. رابطه ی بین فشار جزیی اکسیژن و هدایت الکتریکی بصورت زیر در یک سنسور با مکانیزم حجم بیان میشود:

σ = Aexp(EA/kT )PO2 1/N

که در آن σ هدایت الکتریکی ، A ثابت (مقدار هدایت الکتریکی اولیه σo ) و T دمای محیط بر حسب کلوین،  K  ثابت بولتزمن ، EA  انرژی فعال سازی برای هدایت ، PO2 فشار جزیی اکسیژن و سرانجام N ثابتی است که توسط نوع حجم در گیر شده در موازنه بین اکسیژن و سنسور تعیین می شود.  

این معادله نشان می دهد که سنسور با مقدار N کمتر ، حساسیت هدایت الکتریکی بیشتری را به تغییرات فشار جزیی اکسیژن از خود نشان خواهد داد. همین طور  EA  کمتر باعث حساسیت کمتر پاسخ به تغییرات دما خواهد شد. اولین ماده ای که بطور جدی بعنوان سنسور اکسیژن موازنه حجم بکار رفت، دی اکسید تیتانیوم بود که ماده ای از نوع n است (1983). سنسورهای حساس به اکسیژنی که بصورت تکنولوژی Thick - Film با TiO2 ساخته شدند سادگی بیشتر و پاسخ انتقال سریعتری نسبت به سنسورهای تجاری اکسید زیرکونیوم ZrO2 داشتند.

شکل یک:نمونه ای از سنسورهای مکانیسم حجم که در *بینی های الکترونیکی E-Nose استفاده می شوند.

شکل دو: سنسور گاز اکسیژن (لامبدا سنسور ) شامل یک فیلمان هادی که توسط یک لایه ی کاتالیتیک پوشیده شده و توسط جریان الکتریکی گرم می شود. این سنسور با تکنولوژی میکروماشین ساخته شده که به فیلمان اجازه می دهد تا بسیار کوچک ساخته شود و بصورت معلق بالای زیرلایه قرار گیرد. در نتیجه توان مصرفی بسیار پایین می آید. گازهای ناشی از احتراق با سطح کاتالیتیک واکنش صورت داده و منجر به آزادی گرما و در نتیجه تغییر در مقاومت فیلمان می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اساس کار سنسورهای نیمه هادی گاز - قسمت اول

                                                          

همه نیمه هادیها به نوعی عملکردی سنسور گونه دارند. تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمه هادیها کاملا شناخته شده است. لذا می توان از این اصل کمک گرفت و یک سنسور حرارت ساخت و آنرا در رنج مشخصی کالیبره نمود. بنابراین با نگاهی دقیق به عملکرد نیمه هادی و بکمک مواد جدید می توان سنسورهایی با قابلیت بمراتب بهتر ساخت.

سنسورهای آکوستیک برای تعیین دامنه ، فاز، میزان پلاریزاسیون، طیف و سرعت امواج بکار می روند. از سنسورهای مغناطیسی و الکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان، پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.

شکل یک: نمونه ای از طرز کار یک سنسور آکوستیک. موج صوتی دریافتی از منبع صوت توسط سنسور به المان ابزار دقیقی آکوستیک اعمال میشود و سپس اندازه گیری ، ثبت ، تفسیر، و ارزیابی میگردد.

  

شکل دو: نمونه ای از کاربرد سنسورهای آکوستیک. اصطلاحاً به سنسورهایی که برای ردیابی زیردریایی ها استفاده میشود سونار سنسور Sonar Sensor *گفته میشود. 

شکل سه: یک سنسور شار الکتریکی بر اساس تئوری معادلات مغناطیسی قادر به تشخیص میزان شار الکتریکی در ناحیه ی اندازه گیری است.

سنسورهای مکانیکی  برای تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب (خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress*، چگالی جرم، گشتاور پیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity* ، سفتی ، و ساختار مواد بکار میروند. ازسنسورهای نوری در سیستمهای دید در شب Night-Vision*و در وسایلی نظیر دوربینهای فیلم برداری و عکاسی استفاده میشود. همچنین این سنسورها کاربرد وسیعی در اندازه گیری های دقیق و تعیین موقعیت و فاصله دارند. و بهمین ترتیب سایر سنسورها نظیر سنسورهای حرارتی و شیمیایی که دومی در سیستمهای تشخیص بیولوژیکی و بایومس Biomass* کاربرد زیادی دارد.

همچنین در حال حاضر سازندگان و محققان در حوزه سنسور توجه بسیار زیادی را به قطعات حساس به گازهای موجود در محیط اطراف معطوف داشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزوم کنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگان وسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل این توجه شده است. این سنسورها بعلاوه قادر به تشخیص میزان و نوع گازهای تولید شده در کوره ها بوده و در نتیجه می توانند در پروسه کنترل سوخت و جلوگیری از خروج گازهای مضر نقشی فعال ایفا کنند.

سنسورهای گاز از نظر تکنولوژی ساخت و عملکردشان به سه دسته تقسیم می شوند:

سنسورهای نیمه هادی (Solid State)*

سنسورهای طیف نگار (Spectroscopic) *

سنسورهای نوری (Optics) *

از نظر کارکرد، سیستمهای اسپکتروسکوپیک آنالیز مستقیمی از جرم مولکولی و طیف ارتعاشی روی گاز هدف - گازی که باید تشخیص داده شود-  صورت می دهند. این سیستمها قادر به اندازه گیری کیفی و کمی ترکیبات گازهای مختلف با دقت بسیار خوب هستند. طیف سنج جرمی Mass Spectroscopy*  و کروماتوگرافی جرمی Mass Chromatography* از مهمترین گونه های سیستمهای اسپکتروسکوپی هستند.

شکل چهار: یک سیستم طیف سنج جرمی ابتدا مولکولهای گاز ورودی را یونیزه کرده و به آنها شتاب یکسان می دهد. یونهای شتابدار بر حسب سبکی و سنگینی در حضور میدان مغناطیسی منحرف و جدا میشوند. یونهای سبکتر بیشتر منحرف میشوند و اثر این انحراف بصورت نمودار میزان فراوانی جرم بر بار الکتریکی  نمایش داده میشود.

شکل پنج: نمونه ای از گراف طیف سنج جرمی.

 سنسورهای نوری، طیف جذبی (Absorption Spectrum)* یا طول موج نور منبع را بعد از اینکه گاز هدف توسط نور تهییج شد را اندازه گیری می کنند. آنها نیاز به یک سیستم پیچیده اندازه گیری شامل یک منبع محرک نور تک رنگ و یک سنسور نوری برای آنالیز طول موج طیف جذب شده دارند.

تکنیکهای تحلیلی پرهزینه مثل اسپکتروسکوپی مادون قرمز، لامپهای فلورسنت ماورای بنفش، کروماتوگرافی و ... از جمله روشهایی هستند که بجای سنسورهای شیمیایی گاز مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل شش: گاز هدف باعث تغییر در طول موج نور منبع می شود. این تغییرات موج متناسب با نوع و میزان گاز موجود در محیط است.

شکل هفت: سیستم کامل تشخیص آلاینده های موجود در احتراق موتور. دیودهای لیزری بعنوان منبع نور تک رنگ بکار گرفته شده اند. طول سیستم ۱۳۰ سانتیمتر است

همه این تکنیکها بسیار دقیق و خبره هستند و نیاز به تکنسین های بسیار ماهر برای کار با دستگاه دارند. از طرف دیگر این سیستمها بسیار گرانقیمت بوده و بدلیل فضای بسیار زیادی که اشغال می کنند قابل استفاده در سیستمهای کوچک نظیر موتور اتومبیلها نیستند.

از این رو تکنولوژی ارزان قیمت نیمه هادی با خصوصیات : قابلیت حمل آسان، کوچکی، توان مصرفی کم، ارزان قیمت، و با قابلیت کار آنلاین که می توانند درکنار سیستمهای دیگر بخدمت گرفته شوند؛ خود نمایی می کنند.

 سنسورهای نیمه هادی گاز بر اساس تغییر در خواص فیزیکی و/یا شیمیایی مواد حسگرشان کار می کنند. این تغییرات در نتیجه حضور گازهای مختلف صورت می پذیرد. در مقایسه با دو سیستم اول تنها معایب این نوع سنسورها فقدان قابلیت تشخیص همزمان چند نوع گاز با هم و پایداری و تثبیت زمانی آنهاست.

اساس کار سنسورهای نیمه هادی گاز - قسمت دوم

 

 در سال ۱۹۳۸ (واگنر ) و (هاوف) Wagner, Hauffe کشف کردند که اتمها و مولکولها با سطح نیمه هادی واکنش نشان داده و باعث تاثیر خواص سطحی نظیر رسانایی و پتانسیل سطحی در آنها می شوند. بعدها در ۱۹۵۳ ، ۱۹۵۴ و ۱۹۵۵ بترتیب توسط (براتین) و (باردین) Brattain and Bardeen ، (هیلند) Heiland، و (موریسون) Morrison تاثیر اتمسفر محیط بر روی رسانایی الکتریکی نیمه هادی تشریح شد.

در ۱۹۶۲ توسط (سیاما) Seiyama و بعد در ۱۹۷۰ بوسیله (تاگوچی) Taguchi این کشفیات بصورت آشکارساز گاز با تولید اولین سنسورهای گاز نیمه هادی مقاومتی-شیمیایی Chemo-Resistive Semiconductor Gas Sensors کامل شد. و بدین ترتیب اولین نسل سنسورهای گاز حالت جامد متولد شدند.

مناسبترین ماده برای این نوع سنسورها اکسید فلز است. بر خلاف سایر نیمه هادیها که در زمان طولانی یا گرم شدن در هوای معمولی تبدیل شیمیایی غیرقابل بازگشتی را با تشکیل لایه های پایدار اکسید تحمل می کنند، اکسیدهای فلزی با اکسیژن واکنش برگشت پذیر صورت می دهند. سنسورهای اکسید فلزی بصورت تجاری برای مدتهاست که دربازار یافت می شوند. معروفترین شرکت سازنده و در واقع (لیدر) Leader سنسورهای گاز اکسید فلزی، شرکت مهندسی فیگارو Figaro Engineering *در ژاپن است. سنسورهایی که توسط این شرکت ارائه می شود به نام (سنسور تاگوچی) Taguchi Sensor عرضه میشود که به نام اولین ارائه دهنده ی سنسور اکسید قلع است. سنسورهای اکسید فلزی بر اساس کاهش مقاومت لایه سرامیک اکسید قلع در حضور یک گاز در دمای مناسب کار می کنند.

واکنش جذب در سنسورهای گاز یا به حس کردن اکسیژن مربوط میشود (مکانیزم توده) و یا به آشکارکردن گازهای اقلیت در هوا (مکانیزم سطحی). 

    

سنسورهای اثر انگشت Fingerprint Sensors

تصدیق اثر انگشت به روش اتوماتیک مقایسه بین اثرانگشتهای مختلف اطلاق می شود. شناسایی با اثر انگشت یکی از روشهای بایومتریک Biometric* شناسایی افراد است.  بنابه تقاضای یکی از دوستان خواننده ، در این پست بطور خلاصه درباره ی این حسگرها مطالبی را ارائه می کنم.

              

یک حسگر اثرانگشت قطعه ای الکترونیکی است که تصویری دیجیتالی را از اثر انگشت می گیرد. این تصویر گرفته شده (مرور زنده) یا Live Scan*نامیده می شود. این تصویر سپس بطور دیجیتالی پردازش می شود تا یک الگوی بایومتریک را برای ذخیره و انطباق آتی ایجاد نماید.

معروفترین حسگرهای اثر انگشت ، حسگرهای نوری (مرئی) – که شبیه یک دوربین فیلم برداری عمل می کنند–،آلتراسونیک – که بر پایه آلتراسونوگرافی پزشکی کار میکنند – و خازنی (پسیو و اکتیو) هستند.

برای تطبیق تصویر گرفته شده با تصاویر موجود در حافظه از الگوریتمهای انطباقی نظیر PBA یا IBA (بترتیب یعنی الگوریتم بر مبنای الگوی اثرانگشت Pattern-Based-Algorithm و الگوریتم بر مبنای تصویر انگشت Image-Based-Algorithm ) و الگوریتم پیچیده تری بنام MBA الگوریتم اجزای ناچیزیا Minutia-Based-Algorithm استفاده میشود.

در الگوریتم PBA طرح اثرانگشت شامل خم، پیچش و حلقه با نمونه های حافظه مقایسه میشود. برای این منظورباید تصاویر در یک جهت معین قرار گیرند که الگوریتم نقطه مرکزی را در تصویر اثر انگشت یافته و آنرا با اثر انگشت ورودی هم مرکز میکند. هر الگو در این الگوریتم شامل نوع، اندازه و جهت طرحواره های تصویر تراز شده اثر انگشت است. 

در الگوریتم MBA چندین قسمت مختلف از اجزای اثرانگشت موجود در حافظه نظیر لبه های انتهایی هر خط موجود در اثر انگشت، انشعابات در خطوط و شیارهای کوتاه بین خطوط با اثر انگشت ورودی مقایسه می شوند. این روش همچنین مانند روش قبلی نیاز به تصویری تراز شده از اثر انگشت دارد. تفاوت در این روش این است که بجای انطباق مراکز از یک قاب مرجع Reference Frame استفاده میشود. هر نقطه اجزای اثرانگشت در این الگوریتم بصورت یک بردار در طرحواره  اثرانگشت ذخیره می شود.

کمپانی های لیدر در سنسورهای اثر انگشت فوجیتسو Fujitsu * آوتن Authen *و اتمل Atmel * هستند. یک سنسور اثرانگشت MBF200 فوجیتسو شامل یک سنسور 500 دی پی آی (Dot Per Inches)* هشت بیتی خازنی است. این مجموعه بصورت دوبعدی شامل 256 ردیف 300 پیکسلی است که بصورت تکنولوژی CMOS استاندارد ساخته شده اند. کل سطح سنسور ابعادی بطول 15 و عرض 12.8 میلیمتر را شامل میشود. هر پیکسل از یک الکترود فلزی ساخته شده که بصورت یک صفحه خازن عمل میکند. تماس انگشت با سطح سنسور صفحه دوم خازن را ایجاد میکند. لایه پسیویشن Passivation Layer* روی سطح قطعه ، لایه دی الکتریکی بین انگشت و پیکسلها می سازد و محل سایش انگشت و مقاومت شیمیایی را بوجود می آورد. تصویر اثرانگشت با محاسبه ظرفیت خازنی هر پیکسل وتبدیل دیتا به یک تصویر 8 بیتی سیاه و سفید ایجاد می گردد. شکل زیر بلوک دیاگرام این سنسور را نشان می دهد.

همچنین در شکل زیر بلوک دیاگرام یک سنسور اثر انگشت ۱۹۲ در ۱۶ پیکسلی از کمپانی  Authen  ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تکنولوژیهای فعلی در زمینه حسگرهای اثرانگشت شامل طیف بسیار وسیعی از MEMS تا نانو تکنولوژی می شود. بعنوان مثال این مقاله سنسور الکترومکانیکال اثرانگشتی را معرفی میکند که با وضوح بسیار زیاد تصویر اثر انگشت را می سازد.

سنسورهای گاز بر پایه ی  فیلم ضخیم Gas Sensor Based Thick-Film مرکب از شش بخش اصلی هستند.

اولین بخش زیرلایه یا Substrate است که میتواند آلومینا Al2O3 یا اکسید سیلیکون SiO2 و یا هر ماده ی مناسب دیگری باشد.

بخش دوم شامل الکترودهای فلزی Metal Electrods* معمولا از جنس طلاست که باعث تغییرات رسانایی در آن بخاطر تاثیر گاز می شود.

گاز هدف در دمای مناسبی می تواند باعث انجام فعل و انفعال شیمیایی و اثرگذاری بر الکترودها شود. لذا بخش سوم شامل هیتر و در نتیجه بخش چهارم شامل مقاومتی برای اندازه گیری و کنترل این دماست. مواد مناسب برای این بخشها پلاتین هستند.

این اجزای الکتریکی برای ارتباط با سایر قطعات نیازمند اتصالات هستند که معمولا از طلا ساخته میشوند و بخش پنجم را شکل می دهند.

و سرانجام ماده ای ارگانیک که بنام فانکشنال متریال Functional Material *خوانده میشود و بر روی الکترودها گسترده شده است بعنوان اصلی ترین بخش یعنی جزء ششم وظیفه ی واکنش با گاز هدف و در نتیجه تغییر در موبیلیتی حاملها و بالتبع آن تغییر در رسانایی الکترود را داراست.

 

آشکارسازی گاز هدف تنها توسط این ماده ی ارگانیک تعیین میشود و از این رو در روند طراحی سنسورهای گاز مهمترین نقش را داراست. این مرحله از ساخت سنسور بنام اکتیو فازActive Phase * یا فاز فعال خوانده میشود.

شکل زیر طرح اولیه الکترود ها (به رنگ قرمز) ، هیتر و مقاومت کنترل کننده ی حرارت (در پایینی ترین قسمت شکل) را نشان می دهد.

 

 

 

 

 

 

 


     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتیجه گیری:

با پیشرفت علم و صنعت و اقتصاد در جوامع امروزی و ایجاد اشتغال برای به کار گیری نیروهای انسانی در جهت پیشبرد و توسعه اقتصاد و علم هر کشور بسیاری از نیازها برآورده شده است همچنین از سنسورهای الکترنیکی ( قسمت اول، قسمت دوم، اثر انگشت ) و دیگر موارد مشابه در جهت بکارگیری صحیح از آنها می توان در عرصه جهانی به پیشرفت های چشم گیری دست یافت، همانگونه که هر ساله چندین موارد مشابه توسط بشر کشف و در زمینه های مختلف استفاده می شود همچنین می توان از چنین مواردی در صحنه رقابت سالم نیز استفاده کرد و ما ایرانیان در سال های اخیر ثابت کرده ایم که می توانیم در هر زمینه ای موفق باشیم .

خواستن، توانستن است.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

چکیده :

سنسورها به گونه ای عمل می کنند که تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمه هادیها کاملا شناخته شده است.

از سنسورهای مغناطیسی و الکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان، پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.

کاربرد سنسورهای مکانیکی  در تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب (خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress، چگالی جرم، گشتاور پیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity ، سفتی ، و ساختار مواد می باشد.

در حوزه سنسور توجه بسیار زیادی به قطعات حساس گازهای موجود در محیط اطراف معطوف داشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزوم کنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگان وسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل این توجه شده است.

    مناسبترین ماده برای سنسورها نوع دوم اکسید فلز است. بر خلاف سایر نیمه هادیها که در زمان طولانی یا گرم شدن در هوای معمولی تبدیل شیمیایی غیرقابل بازگشتی را با تشکیل لایه های پایدار اکسید تحمل می کنند، اکسیدهای فلزی با اکسیژن واکنش برگشت پذیر صورت می دهند.

معروفترین حسگرهای اثر انگشت ، حسگرهای نوری (مرئی) – که شبیه یک دوربین فیلم برداری عمل می کنند–،آلتراسونیک – که بر پایه آلتراسونوگرافی پزشکی کار میکنند – و خازنی (پسیو و اکتیو) هستند.

 

 

 

 

واژگان کلیدی:

1- تغییرات همزمان در فشار جزیی اکسیژن                     PPO یا Partial Pressure of Oxygen

2- ضریب لامدا یا نسبت لامدا                                                                  Lambda Ratio

3- ناحیه ی سوخت کم                                                                     Fuel Lean Region

4-استویکیومتری                                                                                   Stoichiometry

5- بینی های الکترونیکی                                                                                 E-Nose

6- سونار سنسور                                                                                  Sonar Sensor

7- کشش و تنش                                                                             Strain and Stress

8-ویسکوزیتی                                                                                             Viscosity

9- دید در شب                                                                                        Night-Vision

10-بایومس                                                                                                 Biomass

11- سنسورهای نیمه هادی                                                                        Solid State

12- سنسورهای طیف نگار                                                                      Spectroscopic

13- سنسورهای نوری                                                                                      Optics

14- طیف سنج جرمی                                                                    Mass Spectroscopy

15-  کروماتوگرافی جرمی                                                          Mass Chromatography

16- طیف جذبی                                                                         Absorption Spectrum

17- شرکت مهندسی فیگارو                                                           Figaro Engineering 

18- بایومتریک                                                                                                        Biometric

19- مرور زنده                                                                                             Live Scan

20-فوجیتسو                                                                                                  Fujitsu

21-آوتن                                                                                                       Authen  

22- اتمل                                                                                                        Atmel   

23- دی پی آی                                                                                   Dot Per Inches

24- لایه پسیویشن                                                                          Passivation Layer

25- الکترودهای فلزی                                                                          Metal Electrods

26- فانکشنال متریال                                                                     Functional Material 

27- اکتیو فاز                                                                                        Active Phase  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه:

علاقمندی به توسعه ی سنسورهای اکسیژن ارزان قیمت از آنجا ناشی می شود که این سنسورها کاربردی ویژه ای در نمایش و نظارت -یا مونیتور کردن- گازهای خروجی موتورهای احتراق داخلی مانند موتور اتومبیل دارند.

 در چنین محیط هایی تغییرات همزمان در فشار جزیی اکسیژن (PPO یا Partial Pressure of Oxygen )* و سایر گازها بصورت نسبت هوا به سوخت در ترکیب احتراق عمل می کند. به نسبت هوا به سوخت ضریب لامدا یا نسبت لامدا Lambda Ratio *نیز می گویند و از این رو به چنین سنسورهای اکسیژنی، سنسور لامبدا نیز گفته می شود. کاربرد ویژه ی چنین سنسورهایی بازخواهد گشت به عملکرد سیستم در ناحیه ی سوخت کم یا Fuel Lean Region *. این ناحیه در واقع ناحیه ای است که در آن احتراق سوخت داخلی موتور در نسبت هوا به سوخت بالای 65:1 صورت می گیرد. در حالت ایده آل در این ناحیه هیچ سوختی نباید وجود داشته باشد که بالطبع از نظر عملی غیر ممکن است.

سنسورهای لامبدا در واقع به تغییرات فشارجزیی اکسیژن در دمای بالای 700 درجه سانتیگراد با ایجاد موازنه بین ترکیب گازهای موجود و استویکیومتری Stoichiometry *حجم سنسور پاسخ می دهند. رابطه ی بین فشار جزیی اکسیژن و هدایت الکتریکی بصورت زیر در یک سنسور با مکانیزم حجم بیان میشود:

σ = Aexp(EA/kT )PO2 1/N

که در آن σ هدایت الکتریکی ، A ثابت (مقدار هدایت الکتریکی اولیه σo ) و T دمای محیط بر حسب کلوین،  K  ثابت بولتزمن ، EA  انرژی فعال سازی برای هدایت ، PO2 فشار جزیی اکسیژن و سرانجام N ثابتی است که توسط نوع حجم در گیر شده در موازنه بین اکسیژن و سنسور تعیین می شود.  

این معادله نشان می دهد که سنسور با مقدار N کمتر ، حساسیت هدایت الکتریکی بیشتری را به تغییرات فشار جزیی اکسیژن از خود نشان خواهد داد. همین طور  EA  کمتر باعث حساسیت کمتر پاسخ به تغییرات دما خواهد شد. اولین ماده ای که بطور جدی بعنوان سنسور اکسیژن موازنه حجم بکار رفت، دی اکسید تیتانیوم بود که ماده ای از نوع n است (1983). سنسورهای حساس به اکسیژنی که بصورت تکنولوژی Thick - Film با TiO2 ساخته شدند سادگی بیشتر و پاسخ انتقال سریعتری نسبت به سنسورهای تجاری اکسید زیرکونیوم ZrO2 داشتند.

شکل یک:نمونه ای از سنسورهای مکانیسم حجم که در *بینی های الکترونیکی E-Nose استفاده می شوند.

شکل دو: سنسور گاز اکسیژن (لامبدا سنسور ) شامل یک فیلمان هادی که توسط یک لایه ی کاتالیتیک پوشیده شده و توسط جریان الکتریکی گرم می شود. این سنسور با تکنولوژی میکروماشین ساخته شده که به فیلمان اجازه می دهد تا بسیار کوچک ساخته شود و بصورت معلق بالای زیرلایه قرار گیرد. در نتیجه توان مصرفی بسیار پایین می آید. گازهای ناشی از احتراق با سطح کاتالیتیک واکنش صورت داده و منجر به آزادی گرما و در نتیجه تغییر در مقاومت فیلمان می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اساس کار سنسورهای نیمه هادی گاز - قسمت اول

                                                          

همه نیمه هادیها به نوعی عملکردی سنسور گونه دارند. تغییرات موبیلیتی حاملهای اقلیت با دما در نیمه هادیها کاملا شناخته شده است. لذا می توان از این اصل کمک گرفت و یک سنسور حرارت ساخت و آنرا در رنج مشخصی کالیبره نمود. بنابراین با نگاهی دقیق به عملکرد نیمه هادی و بکمک مواد جدید می توان سنسورهایی با قابلیت بمراتب بهتر ساخت.

سنسورهای آکوستیک برای تعیین دامنه ، فاز، میزان پلاریزاسیون، طیف و سرعت امواج بکار می روند. از سنسورهای مغناطیسی و الکتریکی میتوان برای کنترل موقعیت، تشخیص میدان مغناطیسی، بار ، جریان، پتانسیل ، شار ، رسانایی و نفوذ پذیری مغناطیسی کمک گرفت.

شکل یک: نمونه ای از طرز کار یک سنسور آکوستیک. موج صوتی دریافتی از منبع صوت توسط سنسور به المان ابزار دقیقی آکوستیک اعمال میشود و سپس اندازه گیری ، ثبت ، تفسیر، و ارزیابی میگردد.

  

شکل دو: نمونه ای از کاربرد سنسورهای آکوستیک. اصطلاحاً به سنسورهایی که برای ردیابی زیردریایی ها استفاده میشود سونار سنسور Sonar Sensor *گفته میشود. 

شکل سه: یک سنسور شار الکتریکی بر اساس تئوری معادلات مغناطیسی قادر به تشخیص میزان شار الکتریکی در ناحیه ی اندازه گیری است.

سنسورهای مکانیکی  برای تشخیص موقعیت، سرعت ، شتاب (خطی و زاویه ای)، نیرو، کشش و تنش Strain and Stress*، چگالی جرم، گشتاور پیچشی و چرخشی، سرعت سیال، شکل ، سختی، زبری، جهت، ویسکوزیتی Viscosity* ، سفتی ، و ساختار مواد بکار میروند. ازسنسورهای نوری در سیستمهای دید در شب Night-Vision*و در وسایلی نظیر دوربینهای فیلم برداری و عکاسی استفاده میشود. همچنین این سنسورها کاربرد وسیعی در اندازه گیری های دقیق و تعیین موقعیت و فاصله دارند. و بهمین ترتیب سایر سنسورها نظیر سنسورهای حرارتی و شیمیایی که دومی در سیستمهای تشخیص بیولوژیکی و بایومس Biomass* کاربرد زیادی دارد.

همچنین در حال حاضر سازندگان و محققان در حوزه سنسور توجه بسیار زیادی را به قطعات حساس به گازهای موجود در محیط اطراف معطوف داشته اند. حساسیت به این حوزه از وجود گازهای سمی و خطرناک و نیز لزوم کنترل و ایمنی آنها نشأت میگیرد. همچنین تقاضای زیادی از سوی سازندگان وسایل نقلیه برای بهینه سازی مصرف سوخت درون موتور ، یکی دیگر از علل این توجه شده است. این سنسورها بعلاوه قادر به تشخیص میزان و نوع گازهای تولید شده در کوره ها بوده و در نتیجه می توانند در پروسه کنترل سوخت و جلوگیری از خروج گازهای مضر نقشی فعال ایفا کنند.

سنسورهای گاز از نظر تکنولوژی ساخت و عملکردشان به سه دسته تقسیم می شوند:

سنسورهای نیمه هادی (Solid State)*

سنسورهای طیف نگار (Spectroscopic) *

سنسورهای نوری (Optics) *

از نظر کارکرد، سیستمهای اسپکتروسکوپیک آنالیز مستقیمی از جرم مولکولی و طیف ارتعاشی روی گاز هدف - گازی که باید تشخیص داده شود-  صورت می دهند. این سیستمها قادر به اندازه گیری کیفی و کمی ترکیبات گازهای مختلف با دقت بسیار خوب هستند. طیف سنج جرمی Mass Spectroscopy*  و کروماتوگرافی جرمی Mass Chromatography* از مهمترین گونه های سیستمهای اسپکتروسکوپی هستند.

شکل چهار: یک سیستم طیف سنج جرمی ابتدا مولکولهای گاز ورودی را یونیزه کرده و به آنها شتاب یکسان می دهد. یونهای شتابدار بر حسب سبکی و سنگینی در حضور میدان مغناطیسی منحرف و جدا میشوند. یونهای سبکتر بیشتر منحرف میشوند و اثر این انحراف بصورت نمودار میزان فراوانی جرم بر بار الکتریکی  نمایش داده میشود.

شکل پنج: نمونه ای از گراف طیف سنج جرمی.

 سنسورهای نوری، طیف جذبی (Absorption Spectrum)* یا طول موج نور منبع را بعد از اینکه گاز هدف توسط نور تهییج شد را اندازه گیری می کنند. آنها نیاز به یک سیستم پیچیده اندازه گیری شامل یک منبع محرک نور تک رنگ و یک سنسور نوری برای آنالیز طول موج طیف جذب شده دارند.

تکنیکهای تحلیلی پرهزینه مثل اسپکتروسکوپی مادون قرمز، لامپهای فلورسنت ماورای بنفش، کروماتوگرافی و ... از جمله روشهایی هستند که بجای سنسورهای شیمیایی گاز مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل شش: گاز هدف باعث تغییر در طول موج نور منبع می شود. این تغییرات موج متناسب با نوع و میزان گاز موجود در محیط است.

شکل هفت: سیستم کامل تشخیص آلاینده های موجود در احتراق موتور. دیودهای لیزری بعنوان منبع نور تک رنگ بکار گرفته شده اند. طول سیستم ۱۳۰ سانتیمتر است

همه این تکنیکها بسیار دقیق و خبره هستند و نیاز به تکنسین های بسیار ماهر برای کار با دستگاه دارند. از طرف دیگر این سیستمها بسیار گرانقیمت بوده و بدلیل فضای بسیار زیادی که اشغال می کنند قابل استفاده در سیستمهای کوچک نظیر موتور اتومبیلها نیستند.

از این رو تکنولوژی ارزان قیمت نیمه هادی با خصوصیات : قابلیت حمل آسان، کوچکی، توان مصرفی کم، ارزان قیمت، و با قابلیت کار آنلاین که می توانند درکنار سیستمهای دیگر بخدمت گرفته شوند؛ خود نمایی می کنند.

 سنسورهای نیمه هادی گاز بر اساس تغییر در خواص فیزیکی و/یا شیمیایی مواد حسگرشان کار می کنند. این تغییرات در نتیجه حضور گازهای مختلف صورت می پذیرد. در مقایسه با دو سیستم اول تنها معایب این نوع سنسورها فقدان قابلیت تشخیص همزمان چند نوع گاز با هم و پایداری و تثبیت زمانی آنهاست.

اساس کار سنسورهای نیمه هادی گاز - قسمت دوم

 

 در سال ۱۹۳۸ (واگنر ) و (هاوف) Wagner, Hauffe کشف کردند که اتمها و مولکولها با سطح نیمه هادی واکنش نشان داده و باعث تاثیر خواص سطحی نظیر رسانایی و پتانسیل سطحی در آنها می شوند. بعدها در ۱۹۵۳ ، ۱۹۵۴ و ۱۹۵۵ بترتیب توسط (براتین) و (باردین) Brattain and Bardeen ، (هیلند) Heiland، و (موریسون) Morrison تاثیر اتمسفر محیط بر روی رسانایی الکتریکی نیمه هادی تشریح شد.

در ۱۹۶۲ توسط (سیاما) Seiyama و بعد در ۱۹۷۰ بوسیله (تاگوچی) Taguchi این کشفیات بصورت آشکارساز گاز با تولید اولین سنسورهای گاز نیمه هادی مقاومتی-شیمیایی Chemo-Resistive Semiconductor Gas Sensors کامل شد. و بدین ترتیب اولین نسل سنسورهای گاز حالت جامد متولد شدند.

مناسبترین ماده برای این نوع سنسورها اکسید فلز است. بر خلاف سایر نیمه هادیها که در زمان طولانی یا گرم شدن در هوای معمولی تبدیل شیمیایی غیرقابل بازگشتی را با تشکیل لایه های پایدار اکسید تحمل می کنند، اکسیدهای فلزی با اکسیژن واکنش برگشت پذیر صورت می دهند. سنسورهای اکسید فلزی بصورت تجاری برای مدتهاست که دربازار یافت می شوند. معروفترین شرکت سازنده و در واقع (لیدر) Leader سنسورهای گاز اکسید فلزی، شرکت مهندسی فیگارو Figaro Engineering *در ژاپن است. سنسورهایی که توسط این شرکت ارائه می شود به نام (سنسور تاگوچی) Taguchi Sensor عرضه میشود که به نام اولین ارائه دهنده ی سنسور اکسید قلع است. سنسورهای اکسید فلزی بر اساس کاهش مقاومت لایه سرامیک اکسید قلع در حضور یک گاز در دمای مناسب کار می کنند.

واکنش جذب در سنسورهای گاز یا به حس کردن اکسیژن مربوط میشود (مکانیزم توده) و یا به آشکارکردن گازهای اقلیت در هوا (مکانیزم سطحی). 

    

سنسورهای اثر انگشت Fingerprint Sensors

تصدیق اثر انگشت به روش اتوماتیک مقایسه بین اثرانگشتهای مختلف اطلاق می شود. شناسایی با اثر انگشت یکی از روشهای بایومتریک Biometric* شناسایی افراد است.  بنابه تقاضای یکی از دوستان خواننده ، در این پست بطور خلاصه درباره ی این حسگرها مطالبی را ارائه می کنم.

              

یک حسگر اثرانگشت قطعه ای الکترونیکی است که تصویری دیجیتالی را از اثر انگشت می گیرد. این تصویر گرفته شده (مرور زنده) یا Live Scan*نامیده می شود. این تصویر سپس بطور دیجیتالی پردازش می شود تا یک الگوی بایومتریک را برای ذخیره و انطباق آتی ایجاد نماید.

معروفترین حسگرهای اثر انگشت ، حسگرهای نوری (مرئی) – که شبیه یک دوربین فیلم برداری عمل می کنند–،آلتراسونیک – که بر پایه آلتراسونوگرافی پزشکی کار میکنند – و خازنی (پسیو و اکتیو) هستند.

برای تطبیق تصویر گرفته شده با تصاویر موجود در حافظه از الگوریتمهای انطباقی نظیر PBA یا IBA (بترتیب یعنی الگوریتم بر مبنای الگوی اثرانگشت Pattern-Based-Algorithm و الگوریتم بر مبنای تصویر انگشت Image-Based-Algorithm ) و الگوریتم پیچیده تری بنام MBA الگوریتم اجزای ناچیزیا Minutia-Based-Algorithm استفاده میشود.

در الگوریتم PBA طرح اثرانگشت شامل خم، پیچش و حلقه با نمونه های حافظه مقایسه میشود. برای این منظورباید تصاویر در یک جهت معین قرار گیرند که الگوریتم نقطه مرکزی را در تصویر اثر انگشت یافته و آنرا با اثر انگشت ورودی هم مرکز میکند. هر الگو در این الگوریتم شامل نوع، اندازه و جهت طرحواره های تصویر تراز شده اثر انگشت است. 

در الگوریتم MBA چندین قسمت مختلف از اجزای اثرانگشت موجود در حافظه نظیر لبه های انتهایی هر خط موجود در اثر انگشت، انشعابات در خطوط و شیارهای کوتاه بین خطوط با اثر انگشت ورودی مقایسه می شوند. این روش همچنین مانند روش قبلی نیاز به تصویری تراز شده از اثر انگشت دارد. تفاوت در این روش این است که بجای انطباق مراکز از یک قاب مرجع Reference Frame استفاده میشود. هر نقطه اجزای اثرانگشت در این الگوریتم بصورت یک بردار در طرحواره  اثرانگشت ذخیره می شود.

کمپانی های لیدر در سنسورهای اثر انگشت فوجیتسو Fujitsu * آوتن Authen *و اتمل Atmel * هستند. یک سنسور اثرانگشت MBF200 فوجیتسو شامل یک سنسور 500 دی پی آی (Dot Per Inches)* هشت بیتی خازنی است. این مجموعه بصورت دوبعدی شامل 256 ردیف 300 پیکسلی است که بصورت تکنولوژی CMOS استاندارد ساخته شده اند. کل سطح سنسور ابعادی بطول 15 و عرض 12.8 میلیمتر را شامل میشود. هر پیکسل از یک الکترود فلزی ساخته شده که بصورت یک صفحه خازن عمل میکند. تماس انگشت با سطح سنسور صفحه دوم خازن را ایجاد میکند. لایه پسیویشن Passivation Layer* روی سطح قطعه ، لایه دی الکتریکی بین انگشت و پیکسلها می سازد و محل سایش انگشت و مقاومت شیمیایی را بوجود می آورد. تصویر اثرانگشت با محاسبه ظرفیت خازنی هر پیکسل وتبدیل دیتا به یک تصویر 8 بیتی سیاه و سفید ایجاد می گردد. شکل زیر بلوک دیاگرام این سنسور را نشان می دهد.

همچنین در شکل زیر بلوک دیاگرام یک سنسور اثر انگشت ۱۹۲ در ۱۶ پیکسلی از کمپانی  Authen  ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تکنولوژیهای فعلی در زمینه حسگرهای اثرانگشت شامل طیف بسیار وسیعی از MEMS تا نانو تکنولوژی می شود. بعنوان مثال این مقاله سنسور الکترومکانیکال اثرانگشتی را معرفی میکند که با وضوح بسیار زیاد تصویر اثر انگشت را می سازد.

سنسورهای گاز بر پایه ی  فیلم ضخیم Gas Sensor Based Thick-Film مرکب از شش بخش اصلی هستند.

اولین بخش زیرلایه یا Substrate است که میتواند آلومینا Al2O3 یا اکسید سیلیکون SiO2 و یا هر ماده ی مناسب دیگری باشد.

بخش دوم شامل الکترودهای فلزی Metal Electrods* معمولا از جنس طلاست که باعث تغییرات رسانایی در آن بخاطر تاثیر گاز می شود.

گاز هدف در دمای مناسبی می تواند باعث انجام فعل و انفعال شیمیایی و اثرگذاری بر الکترودها شود. لذا بخش سوم شامل هیتر و در نتیجه بخش چهارم شامل مقاومتی برای اندازه گیری و کنترل این دماست. مواد مناسب برای این بخشها پلاتین هستند.

این اجزای الکتریکی برای ارتباط با سایر قطعات نیازمند اتصالات هستند که معمولا از طلا ساخته میشوند و بخش پنجم را شکل می دهند.

و سرانجام ماده ای ارگانیک که بنام فانکشنال متریال Functional Material *خوانده میشود و بر روی الکترودها گسترده شده است بعنوان اصلی ترین بخش یعنی جزء ششم وظیفه ی واکنش با گاز هدف و در نتیجه تغییر در موبیلیتی حاملها و بالتبع آن تغییر در رسانایی الکترود را داراست.

 

آشکارسازی گاز هدف تنها توسط این ماده ی ارگانیک تعیین میشود و از این رو در روند طراحی سنسورهای گاز مهمترین نقش را داراست. این مرحله از ساخت سنسور بنام اکتیو فازActive Phase * یا فاز فعال خوانده میشود.

شکل زیر طرح اولیه الکترود ها (به رنگ قرمز) ، هیتر و مقاومت کنترل کننده ی حرارت (در پایینی ترین قسمت شکل) را نشان می دهد.

 

 

 

 

 

 

 


     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتیجه گیری:

با پیشرفت علم و صنعت و اقتصاد در جوامع امروزی و ایجاد اشتغال برای به کار گیری نیروهای انسانی در جهت پیشبرد و توسعه اقتصاد و علم هر کشور بسیاری از نیازها برآورده شده است همچنین از سنسورهای الکترنیکی ( قسمت اول، قسمت دوم، اثر انگشت ) و دیگر موارد مشابه در جهت بکارگیری صحیح از آنها می توان در عرصه جهانی به پیشرفت های چشم گیری دست یافت، همانگونه که هر ساله چندین موارد مشابه توسط بشر کشف و در زمینه های مختلف استفاده می شود همچنین می توان از چنین مواردی در صحنه رقابت سالم نیز استفاده کرد و ما ایرانیان در سال های اخیر ثابت کرده ایم که می توانیم در هر زمینه ای موفق باشیم .

خواستن، توانستن است.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ نوشته شده توسط رضا در دوشنبه دوم آبان 1390 و ساعت 17:12 |