Skip to main content
SUPERVISOR
Vahid Ghafarinia
وحید غفاری نیا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hassan Gholipur
حسن قلی پور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Investigation and modelling of the temperature dependence in the transient responses of metal-oxide gas sensors
Semiconductor gas sensors are widely used for qualitative and quantitative analysis of gaseous samples. Typical examples of their applications includes detection of fire, land mine and chemical warfare agents, food quality assessment, disease diagnosis, environmental monitoring, air ratio adjustment in combustion engines and industrial process monitoring. The underlying principles of operation in gas sensors are gas dependent physicochemical processes that change the electrical properties of the sensing material. In metal-oxide gas sensors the resistance of the sensing layer is altered by the oxidation/reduction interaction in the grain boundaries. These gas sensors operate at elevated temperatures and their behavior is hence temperature dependent. In this project the effect of gas type and working temperature on the step responses of resistive gas sensors is investigated experimentally and theoretically. An experimental setup was fabricated to measure the transient responses of gas sensors. Many experiments were carried out to record a data set of transient responses. Gas type, gas concentration, sensor temperature and timing profile were the adjustable parameters of experiments. The results show that the curvature and speed of transient responses both are highly temperature dependent. For example the step responses to the vapor of 4 butanol isomers were clearly distinct at 200 o C while they were similar at 300 o C. The transient behavior of gas sensor is governed by the diffusion-reaction process in the porous sensing layer. Based on these processes the differential equations were extracted and a mathematical model was derived that could successfully model the experimental results. The results of this project provide a more in-depth insight toward the operation of semiconductor gas sensors. Also it can be the basis of a new gas diagnosis method in which the operating temperature is adjusted for obtaining the optimum gas-dependent patterns. Keywords: Metal oxide gas sensor, transient response, thermal dependency, diffusion-reaction
حسگرهای گاز به دلیل کاربردهای فراوان و متنوع از مهمترین حسگرهای الکترونیکی هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به پایش آلودگی‌های محیط، کنترل کیفیت مواد غذایی و محصولات کشاورزی، تشخیص آتش‌سوزی، تشخیص مواد منفجره و گازهای سمی، تنظیم سوخت خودرو و تشخیص بیماری اشاره نمود. در ساختار حسگر گاز یک لایه حساس به صورت فیزیکی یا شیمیایی با مولکول‌های گاز تعامل دارد که در نتیجه برخی از مشخصه‌های الکتریکی آن تغییر می‌کنند. با اندازه‌گیری تغییرات مشخصه‌های الکتریکی حسگر گاز می‌توان وجود یا عدم وجود گاز همچنین میزان تراکم آن را تشخیص داد. تقریبا اکثر اصول فیزیکی متاثر از مولکول‌های گاز برای ساخت حسگرهای گاز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. حسگرهای نیمه‌هادی، پلیمری، نوری، خازنی و کریستالی از جمله پرکاربردترین حسگرهای گاز هستند. تحول اصلی در زمینه تشخیص گاز از اوایل دهه هفتاد با عرضه تجاری حسگرهای گاز نیمه‌هادی آغاز شد. این حسگرها معمولا بر اساس نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی ساخته می‌شوند و هدایت لایه حساس آن‌ها در مواجهه با گاز تغییر می‌کند. حساسیت و پایداری بالا و قیمت ارزان از جمله دلایل محبوبیت این نوع از حسگرهای گاز هستند. مقاومت لایه حساس این حسگرها علاوه بر تراکم و نوع گاز موجود در محیط، به دمای کاری آن نیز وابسته است. در پژوهش انجام شده، تاثیر دمای لایه نیمه‌هادی حساس به گاز بر شکل و سرعت پاسخ گذرای حسگر مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار سامانه‌ای طراحی شده است که قابلیت اعمال آنی گاز به حسگر را فراهم می‌کند. با استفاده از این سامانه پاسخ گذرای چند حسگر گاز اکسید فلزی مختلف در محدوده مشخصی از دمای کاری اندازه‌گیری و ثبت شده است. گازهای مورد آزمایش، بخار چهار ایزومر بوتانول هستند که از نظر فرمول و خواص شیمیایی شباهت بسیاری به یکدیگر دارند. نتایج آزمایش نشان داد که پاسخ‌های گذرا به میزان قابل توجهی از دمای کاری حسگر تاثیر می‌پذیرند به طوری که در دمای کاریمنطبق با ولتاژ ریزگرمکن 5 Vپاسخ به چهار ایزومر یکسان و در دمای کاری منطبق با ولتاژ ریزگرمکن 3 Vکاملا متمایز هستند. همچنین منحنی‌های حساسیت حسگرها بر حسب دمای کاری نشان می‌دهد که با افزایش دمای کاری حساسیت حسگرها ابتدا افزایش سپس کاهش می‌یابد. دمایی که در آن بیشینه حساسیت روی می‌دهد برای حسگرهای مختلف متفاوت است. همچنین دمای بیشینه حساسیت برای یک حسگر در معرض گازهای مختلف فرق می‌کند. حتی تغییر تراکم گاز هدف نیز موجب تغییر این دما می‌گردد. این وابستگی دمایی با استفاده از معادلات نفوذ-واکنش مولکول‌های گاز و تاثیر آن بر مقاومت مرزدانه‌ها مدل‌سازی شد. نتایج مدل‌سازی به صورت موفقیت آمیز نحوه تغییرات پاسخ‌های گذرای حاصل از آزمایش را توجیه نمود. کلماتکلیدی: حسگر گاز اکسید فلزی، پاسخ گذرا، معادله نفوذ-واکنش، وابستگی دمایی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی